水は熱エネルギーを使わず光だけでも蒸発することが判明

masapoco
投稿日 2023年11月1日 14:05
water

マサチューセッツ工科大学の驚くべき研究によると、水は熱エネルギーを必要とせず、光だけでも蒸発させることが可能であることが判明したとのことだ。さらに、光による蒸発は熱によるものよりも効率的であると、研究者らは述べている。

研究者たちは、水分子が液体の表面近くで十分なエネルギーを吸収し、気体として大気中に逃げることで蒸発が起こると説明している。通常、このエネルギー源は熱であり、地球の水循環においては主に太陽光がその熱源である。しかし、過去数年間で、水がハイドロゲル(水分を多く含むゲル)に保持されている実験において、熱量に基づいた理論的な最大蒸発率を2倍から3倍も大きく上回る蒸発が観察されていた。

この現象を調査するため、MITの研究者たちは基本的な実験を行い、光が過剰な蒸発を引き起こしている可能性があると考えた。そのため、ハイドロゲルのサンプルをスケール上の容器に置き、異なる波長の光を順番に当てて、蒸発によって失われる質量を測定した。結果として、水は熱による理論的な限界を大きく上回る速度で蒸発していた。特に、緑色の光の波長で蒸発がピークに達していたとのことだ。

次に、研究者たちは暗所で実験を繰り返した。電気を使って、光の実験と同量の熱をハイドロゲルに加えた。水の蒸発速度は熱的限界の範囲内にとどまり、光照射による蒸発速度をはるかに下回った。

研究者たちはこの新しい現象を「光分子効果(photomolecular effect)」と名付け、光子が液体の表面近くの水分子のクラスターを「切り離す」可能性があると仮説を立てた。この効果は、例えば雲や海の表面など、自然界でも起こっている可能性があり、気候モデルの精度を向上させるために取り入れることが重要である、と研究者たちは言う。また、太陽光を利用した海水淡水化など、多くの工業プロセスにおいても重要な役割を果たす可能性がある。

この「光分子効果」は、海水淡水化システムや蒸発冷却システムの効率を向上させるために利用できる可能性があり、研究者たちは既に、太陽エネルギーを用いた海水淡水化において、効率を3~4倍向上させる可能性があるとして助成金を受けている。


論文

参考文献

研究の要旨

本研究では、可視光照射下でのハイドロゲルからの蒸発に関するいくつかの予想外の実験的観察を報告する。1)部分的に濡れたハイドロゲルは可視スペクトル領域で吸収される。2) 太陽または可視スペクトル発光ダイオードの下でヒドロゲルを照明すると、追加の吸収剤を含まないヒドロゲルでも、熱蒸発限界を超える蒸発速度が生じる。3) 蒸発速度は波長依存性があり、520nmでピークに達する。4) 気相の温度は光照射下で低温になり、空気を飽和させるクラスターの分裂による平坦な領域を示す。そして5)光照射下での気相透過スペクトルは、新たな特徴とピークシフトを示す。我々は、分子クラスター上の大きな電場勾配と四重極力により、可視スペクトルの光子が水クラスターを表面から切断するという仮説を導入することにより、これらの観測結果を解釈した。この光による蒸発過程を光分子効果と呼ぶ。光分子蒸発は自然界で広く起こっている可能性があり、気候や植物の成長に影響を与える可能性がある。



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