我們知道，水在可見(jiàn)光譜的吸收很弱，所以我們可以看到水是透明的，而且太陽(yáng)光可以穿透很深的水層。那么，如果我們想用太陽(yáng)光來(lái)加熱水或者讓水蒸發(fā)，我們就需要添加一些吸收材料，比如染料或者金屬納米粒子，來(lái)增強(qiáng)水的吸收率。這樣，太陽(yáng)光就可以被吸收材料轉(zhuǎn)化為熱能，然后傳遞給水，使水溫升高，從而蒸發(fā)。

但是，最近有一篇論文發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，就是在可見(jiàn)光譜下，水可以直接被光子分解，而不需要任何吸收材料或者熱能。這個(gè)現(xiàn)象被稱為光分子效應(yīng)，它可以讓水蒸發(fā)的速率超過(guò)熱極限，甚至在沒(méi)有任何吸收材料的情況下。這個(gè)效應(yīng)是如何發(fā)生的呢？我們來(lái)一起看看。

實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

論文的作者使用了一種叫做聚乙烯醇（PVA）的水凝膠作為實(shí)驗(yàn)材料。水凝膠是一種含有大量水分的高分子材料，它的特點(diǎn)是可以保持一定的形狀，而不會(huì)流動(dòng)。水凝膠的吸收率和水差不多，都很低，所以它們?cè)诳梢?jiàn)光下都是透明的。作者將水凝膠放在一個(gè)玻璃板上，然后用太陽(yáng)光或者可見(jiàn)光發(fā)光二極管來(lái)照射它們，同時(shí)測(cè)量它們的蒸發(fā)速率和溫度。(www.ws46.cOm)

作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水凝膠被光照射時(shí)，它們的蒸發(fā)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了熱極限，即使沒(méi)有添加任何吸收材料。熱極限是指在給定的環(huán)境溫度和濕度下，水的最大蒸發(fā)速率，它由水的表面張力、潛熱和飽和蒸汽壓決定。作者還發(fā)現(xiàn)，水凝膠的溫度并沒(méi)有明顯升高，而且蒸發(fā)的水蒸氣的光譜顯示了水團(tuán)簇的特征。水團(tuán)簇是指由幾個(gè)水分子通過(guò)氫鍵連接而成的分子集合，它們的性質(zhì)和單個(gè)水分子有所不同。這些結(jié)果表明，水凝膠中的水分子并不是通過(guò)熱能來(lái)蒸發(fā)的，而是通過(guò)光子的作用直接從水凝膠表面分離出來(lái)的，這就是光分子效應(yīng)。

光分子效應(yīng)的機(jī)理

那么，光分子效應(yīng)是如何發(fā)生的呢？作者提出了一個(gè)可能的機(jī)理，它涉及到水凝膠表面的水分子和光子之間的相互作用。我們知道，水分子是偶極分子，它們有正負(fù)兩極，而且可以通過(guò)氫鍵形成不同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)水分子靠近水凝膠表面時(shí)，它們會(huì)受到水凝膠的吸引力，從而形成一個(gè)偏壓的電荷分布，即表面的水分子會(huì)有一個(gè)正電荷，而水凝膠會(huì)有一個(gè)負(fù)電荷。這樣，水凝膠表面就形成了一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)梯度，它會(huì)對(duì)水分子產(chǎn)生一個(gè)力，叫做四極力。四極力是指當(dāng)一個(gè)偶極分子處于一個(gè)非均勻的電場(chǎng)中時(shí)，它會(huì)受到一個(gè)力，使它的偶極矩與電場(chǎng)方向一致。這個(gè)力的大小和方向取決于電場(chǎng)的梯度和偶極分子的形狀。

當(dāng)光子照射到水凝膠表面時(shí)，它們會(huì)被水分子吸收，從而激發(fā)水分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。這些振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)改變水分子的偶極矩，從而改變它們受到的四極力。如果光子的能量足夠大，它們可以讓水分子的四極力超過(guò)水凝膠的吸引力，從而使水分子從水凝膠表面分離出來(lái)。由于水分子之間的氫鍵很強(qiáng)，所以分離出來(lái)的不是單個(gè)水分子，而是水團(tuán)簇，它們可以包含幾個(gè)到幾十個(gè)水分子。這些水團(tuán)簇就會(huì)飛離水凝膠表面，進(jìn)入空氣中，形成水蒸氣。這就是光分子效應(yīng)的機(jī)理。

光分子效應(yīng)的意義和應(yīng)用

光分子效應(yīng)是一個(gè)非常有趣的物理現(xiàn)象，它揭示了水在可見(jiàn)光下的新的性質(zhì)，也為水的蒸發(fā)提供了一個(gè)新的途徑。這個(gè)效應(yīng)可能在自然界中廣泛存在，比如在植物的葉片或者云層中，它可能影響了氣候和植物的生長(zhǎng)。這個(gè)效應(yīng)也可以用于清潔水和干燥技術(shù)，比如利用水凝膠來(lái)收集和凈化水，或者利用光子來(lái)加速水分的蒸發(fā)，從而提高干燥的效率和質(zhì)量。這些應(yīng)用都有很大的潛力和價(jià)值，值得進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。