Η εξάτμιση λαμβάνει χώρα παντού γύρω μας συνέχεια- από τον ιδρώτα που ψύχει το σώμα μας μέχρι την πρωινή δροσιά που χάνεται απέναντι στον ήλιο. Ωστόσο, μέχρι τώρα ίσως από την επιστημονική γνώση πάνω σε αυτό να έλειπε ένα «κομμάτι του παζλ», όπως αναφέρεται σε δημοσίευμα του MIT News σχετικά με νέα έρευνα.
Τα τελευταία χρόνια ερωτήματα είχαν προκαλέσει ευρήματα ερευνητών, βάσει των οποίων νερό στα πειράματά τους, που βρισκόταν σε υδροτζέλ, εξατμιζόταν ταχύτερα από ό,τι μπορούσε να εξηγηθεί από την ποσότητα θερμότητας, ή θερμικής ενέργειας, που λάμβανε το νερό- και η επιτάχυνση αυτή ήταν πολύ μεγάλη, διπλασιασμός ή τριπλασιασμός του θεωρητικού μέγιστου ρυθμού.
Μετά από μια σειρά νέων πειραμάτων και προσομοιώσεων και επανεξέτασης κάποιων αποτελεσμάτων από διάφορες ομάδες που ισχυρίζονταν πως είχαν υπερβεί το θερμικό όριο, ομάδα ερευνητών του ΜΙΤ κατέληξε σε ένα συμπέρασμα- έκπληξη: Υπό συγκεκριμένες συνθήκες, εκεί όπου το νερό συναντά τον αέρα, το φως μπορεί να προκαλέσει εξάτμιση χωρίς την ανάγκη για θερμότητα, και, για την ακρίβεια, γίνεται ακόμα πιο αποτελεσματικά από όταν γίνεται με θερμότητα. Σε αυτά τα πειράματα το νερό βρισκόταν σε ένα υλικό υδροτζέλ, μα οι ερευνητές υποδεικνύουν ότι το φαινόμενο μπορεί να λαμβάνει χώρα και υπό άλλες συνθήκες.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν σε επιστημονικό άρθρο στο PNAS από τον Γιαοντόνγκ Του, μεταδιδακτορικό του ΜΙΤ, τον καθηγητή Μηχανολόγων Μηχανικών Γκανγκ Τσεν και τέσσερις άλλους. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να παίζει ρόλο στον σχηματισμό και την εξέλιξη ομίχλης και νεφών, και ως εκ τούτου θα ήταν σημαντική η ενσωμάτωσή του σε κλιματικά μοντέλα, σύμφωνα με τους ερευνητές. Επίσης θα μπορούσε να παίξει σημαντικό ρόλο σε πολλές βιομηχανικές διαδικασίες, όπως αφαλάτωση νερού με ηλιακή ενέργεια, ίσως επιτρέποντας εναλλακτικές όσον αφορά στο «βήμα» της μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ενέργεια πρώτα.
Μετά η ομάδα βρέθηκε μπροστά στη δουλειά μιας άλλης ομάδας, που είχε επιτύχει ρυθμό εξάτμισης διπλάσιο του θερμικού ορίου – που είναι η υψηλότερη δυνατή ποσότητα εξάτμισης που μπορεί να λάβει χώρα για οποιαδήποτε δεδομένη ποσότητα θερμότητας, με βάση αρχές όπως αυτή της διατήρησης της ενέργειας. Ήταν σε αυτά τα πειράματα που το νερό προσδέθηκε σε υδροτζέλ. Αν και αρχικά είχαν αμφιβολίες, οι Τσεν και Του άρχισαν δικά τους πειράματα με υδροτζέλ- και άρχισαν να υποψιάζονται πως την επιπλέον εξάτμιση προκαλούσε το ίδιο το φως- ότι τα φωτόνια έδιωχναν ομάδες μορίων νερού από την επιφάνειά του. Η επίδραση αυτή θα λάμβανε χώρα μόνο στο όριο μεταξύ νερού και αέρος, στην επιφάνεια του υδροτζέλ- και ίσως στην επιφάνεια της θάλασσας ή στις επιφάνειες σταγονιδίων σε νέφη ή ομίχλη.
Στο εργαστήριο παρακολούθησαν την επιφάνεια ενός υδροτζέλ και μέτρησαν τις αντιδράσεις του στο ηλιακό φως σε ελεγχόμενα με υψηλή ακρίβεια μήκη κύματος. Οι ερευνητές υπέβαλαν την επιφάνεια του νερού σε φως διαφορετικών χρωμάτων και μέτρησαν τον ρυθμό εξάτμισης. Το έκαναν αυτό βάζοντας ένα δοχείο με φορτωμένο με νερό υδροτζέλ σε μια ζυγαριά και μετρώντας απευθείας τη μάζα που χάθηκε λόγω εξάτμισης, καθώς και παρατηρώντας τη θερμοκρασία πάνω από την επιφάνεια του υδροτζέλ. Τα φώτα ήταν καλυμμένα για να εμποδιστεί η επιπλέον θερμότητα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν πως η επίδραση διέφερε ανάλογα με το χρώμα και κορυφωνόταν σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος πράσινου φωτός. Μια τέτοια εξάρτηση από το χρώμα δεν έχει σχέση με τη θερμότητα και στηρίζει την ιδέα πως είναι το φως το ίδιο που προκαλεί τουλάχιστον μέρος της εξάτμισης.
Οι ερευνητές προσπάθησαν να επαναλάβουν τον ρυθμό εξάτμισης που παρατηρήθηκε υπό τις ίδιες συνθήκες μα χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό για θέρμανση του υλικού και όχι φως. Αν και η εισροή θερμότητας ήταν η ίδια όπως στο άλλο τεστ, η ποσότητα νερού που εξατμιζόταν ποτέ δεν ξεπερνούσε το θερμικό όριο. Ωστόσο το έκανε όταν το ηλιακό φως (εικονικό/ προσομοίωση) ήταν ανοιχτό, επιβεβαιώνοντας πως το φως προκαλούσε την επιπλέον εξάτμιση.
Αν και το ίδιο το νερό δεν απορροφά πολύ φως και δεν το κάνει ούτε το υδροτζέλ, όταν τα δύο αυτά συνδυάζονται, γίνονται ισχυροί απορροφητές, λέει ο Τσεν. Αυτό επιτρέπει στο υλικό να «δαμάζει» την ενέργεια των ηλιακών φωτονίων αποτελεσματικά και να υπερβαίνει το θερμικό όριο.
Έχοντας διαπιστώσει αυτό το φαινόμενο, το οποίο χαρακτήρισαν φωτομοριακό (photomolecular effect) οι ερευνητές ασχολούνται τώρα με τις πιθανές πρακτικές εφαρμογές του. Μεταξύ αυτών θα ήταν η αύξηση του νερού που παράγεται από αφαλάτωση μέσω ηλιακού φωτός - «αυτό θα μπορούσε εν δυνάμει να οδηγήσει στα αλήθεια σε φθηνή αφαλάτωση» είπε ο Τσεν.