比熱能蒸發快3倍有助突破海水淡化效率光分子技術把水蒸發不須熱能

THE MERIT TIMES

編譯／韋士塔 2023-11-11

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MIT研究人員發現，光能在沒有熱量的情況下把水蒸發。圖／美聯社、網路

科學家觀測不同顏色光線對蒸發的影響。圖／美聯社、網路

海水淡化是重要的飲用水來源。圖／美聯社、網路

目前的海水淡化設施，成本非常昂貴。圖／美聯社、網路

編譯／韋士塔

美國麻省理工學院（MIT）的研究人員發現一個不尋常的現象：在沒有增加熱能情況下，光似乎能夠把水蒸發。研究團隊表示，這項顛覆基本物理原理的發現，可能有助突破海水淡化的效率限制，進而緩解飲用水不足的問題，甚至有助對氣候變遷的研究。

MIT的團隊指出，蒸發是生活隨處可見的現象，包括物體冷卻、汗水、露水的蒸發；然而，科學界對這種現象的理解，可能一直不夠完整。近年來，一些研究人員在實驗時發現，在海綿狀材料（水凝膠）中的水，蒸發的速度比使用熱能蒸發時還快，也就是這些水吸收熱能的效率，已達到理論中最高效率的2倍甚至3倍。

MIT機械工程學教授陳剛（Gang Chen，音譯）表示，研究團隊對這個現象很感興趣，希望能應用於提升海水淡化效率。海水淡化的原理是透過蒸發水中的鹽、礦物質後，讓蒸汽再次冷卻成液體，藉此去除水中的鹽、礦物質，形成飲用水。

為了驗證水凝膠中的水蒸發速度是否較快，研究團隊進行一系列新的實驗及模擬，並重新審查其他研究團隊發表的實驗結果。陳剛教授表示，他們取得令人震驚的結論：在某些條件下，在水的表現，也就是水與空氣的交接處，不需要熱量就可以直接引起蒸發，且效率高於以熱能蒸發。

MIT的團隊假設，光子能夠消除水面上的水分子；隨後，研究人員把水凝膠暴露在不同波長的光下，測量蒸發的液體數量，結果蒸發狀況再次突破了熱極限，在特定波長的綠光下，蒸發效率最高。作為對照組，在相同的無光實驗下，使用電流加熱，蒸發速率並未超過熱極限。

研究小組發表於《應用物理科學》（Applied Physical Sciences）期刊的報告表示：「依據我們的分析，光譜中的光子會撞擊水分子簇（water cluster），讓水分子從水、空氣之間的邊界層分離出來，加快了蒸發速度。這種由光驅動的蒸發過程，稱為光分子效應（photomolecular effect）。」

光分子效應可能發生在海面或雲、霧中的水滴表面，因此，把這種效應納入氣候模型，將可提高其準確性。此外，光分子效應有可能應用於其他領域，例如提高太陽能海水淡化系統的效率。

研究人員解釋，標準的海水淡化通常有2個步驟，首先將水蒸發成蒸汽，接著冷凝蒸汽以液化成淡水。光分子效應將可實現高效率蒸發，也能應用於材料乾燥的製程。研究團隊指出，這項技術一旦成熟，有可能把太陽能海水淡化的產水量提高3~4倍，大幅降低海水淡化成本，幫助解決許多地區缺乏乾淨飲用水的問題。此外，在蒸發冷卻過程中，或許也能透過這種效應，提供高效的太陽能冷卻系統，達到節能減碳的效果。

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