Niezwykłe odkrycie. Woda paruje nie tylko pod wpływem ciepła. Do zamienienia jej w gaz wystarcza samo światło

W tym artykule:

1. Co się dzieje na powierzchni wody?
2. Jakie światło powoduje parowanie?
3. Implikacje dla nauki i przemysłu

Parowanie to jedno z codziennych, powszechnych zdarzeń zachodzących na całej kuli ziemskiej. Paruje powierzchnia oceanów, rzek i stawów. Wysychają słone jeziora, pozostawiając po sobie sól. Mgła znika w porannym słońcu.

Proces wydawał się doskonale poznany od strony fizycznej. Aby powierzchnia wody zaczęła parować, potrzebne jest źródło ciepła. Pod jego wpływem rośnie energia kinetyczna cząsteczek H₂O. W pewnym momencie przewyższa ona siły przyciągania wiążące molekuły wody składające się na ciecz. Wówczas woda paruje: przechodzi w stan gazowy.

Tak – w uproszczeniu, z pominięciem ważnego czynnika, czyli ciśnienia – brzmiało do dzisiaj wyjaśnienie procesu parowania. Jednak opis ten właśnie staje się niekompletny. W najnowszym wydaniu czasopisma naukowego „PNAS” ukazał się przełomowy artykuł badaczy z Massachusetts Institute of Technology (MIT). W serii precyzyjnych eksperymentów wykazali oni, że parowanie może być powodowane wyłącznie przez światło. A konkretnie – przez fotony światła widzialnego.

Co się dzieje na powierzchni wody?

Naukowcy z MIT nazwali to zjawisko efektem fotomolekularnym. Po raz pierwszy donosili o jego istnieniu na jesieni 2023 roku. Wówczas udało im się wykazać, że pod wpływem fotonów dochodzi do parowania na powierzchni hydrożelu nasączonego wodą. Teraz badacze udowodnili, że hydrożel nie jest potrzebny. Zjawisko dotyczy każdej powierzchni wody – czy to płaskiej, np. kałuży, czy zakrzywionej, np. kropli deszczu.

Efekt fotomolekularny jest niezwykły i niespodziewany. Obecnie bardzo rzadko zdarza się, by zjawisko znane z codziennego życia nie miało pełnego wyjaśnienia od strony fizyki. Dlatego autorzy pracy z „PNAS” przeprowadzili 14 różnych testów, by bez żadnych wątpliwości wykazać jego istnienie. Potwierdziły one, że woda naprawdę paruje wyłącznie pod wpływem światła. A konkretnie, że cząsteczki wody odrywają się od powierzchni i ulatują w powietrze.

Jakie światło powoduje parowanie?

Jest to zaskakujące, ponieważ woda generalnie przepuszcza światło. Pochłania je tylko w niewielkim stopniu. A jednak nawet to wystarcza do zachodzenia efektu fotomolekularnego. Jak się okazało, zależy on od szczegółowych charakterystyk światła. Takich jak kąt padania, kolor (czyli długość fali) i polaryzacja.

Parowanie pod wpływem światła jest najsilniejsze, gdy promienie padają na powierzchnię pod kątem 45 stopni. A także gdy światło jest zielone. Oraz spolaryzowane w szczególny sposób (polaryzacja TM, ang. transverse magnetic). Naukowcy zaproponowali już wyjaśnienie wpływu kąta padania i polaryzacji na efekt fotomolekularny. Na razie nie wiedzą jeszcze, dlaczego na silniejsze parowanie przekłada się akurat zielony kolor światła (czyli fale elektromagnetyczne mające długość od 495 nm do 566 nm).

Skąd się bierze deszcz? Krople na początku wcale nie mają kształtu kropli

Oczywista odpowiedź na pytanie, skąd się bierze deszcz brzmi: z chmur. Jednak żeby z nieba zaczęła padać woda w stanie ciekłym, musi zostać spełnionych kilka warunków.

Implikacje dla nauki i przemysłu

– Te badania należą do nielicznej grupy prawdziwie rewolucyjnych odkryć – komentuje niezaangażowany w pracę naukowców z MIT Xiulin Ruan z Purdue University. – Takich, które nie są od razu powszechnie akceptowane przez społeczność naukową. Ich potwierdzenie wymaga czasu, czasem bardzo długiego – dodaje.

Dlaczego? Ponieważ efekt fotomolekularny ma potencjalnie ogromne znacznie dla wielu gałęzi nauki. Przede wszystkim pomógłby wyjaśnić, jak światło wpływa na pokrywę chmur, mgły, oceany i inne zbiorniki wodne – oraz jak to przekłada się na klimat. Naukowcy zajmujący się klimatem od 80 lat zastanawiają się nad pewną zagadką. Otóż pomiary wykazują, że chmury absorbują więcej światła niż to możliwe na gruncie teorii fizycznych. Być może efekt fotomolekularny pomoże wyjaśnić rozbieżności między pomiarami a teorią.

Odkrycie ma też znacznie praktyczne i może być zastosowane w przemyśle. W wielu branżach stosuje się różne techniki suszenia przez odparowywanie wody. Dotyczy do np. produkcji papieru czy odsalania wody. Wszędzie tam przydatne może okazać się lepsze zrozumienie efektu fotomolekularnego.

Do tego potrzeba jednak dalszych badań. – Nasze eksperymenty dopiero się zaczynają – zapowiada Gang Chen z MIT, główny autor pracy.

Źródła: Phys.org, PNAS.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com