[论文解读] Photomolecular Effect: Visible Light Absorption at Water-Vapor Interface

Yaodong Tu, Gang Chen|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Solar-Powered Water Purification Methods被引用 4

一句话总结

本文提出光分子效应（photomolecular effect），这是一种新型机制：可见光通过水分子簇的解离，在气-水界面直接被吸收，从而实现无需外部吸收剂的高效光热蒸发。尽管体相水在该波段吸收较弱，但通过蒸发速率对波长、入射角和偏振态的依赖性，以及气相中的光谱特征，证实了该机制的存在，表明其在大气过程和太阳能蒸发技术中具有广泛影响。

ABSTRACT

The evaporation of water is ubiquitous in nature and industrial technologies. The known mechanism for evaporation is "thermal evaporation" which highlights the energy input for evaporation is via heat. Due to the weak absorption of water to visible light, the first step to using solar energy to evaporate water is usually by converting it into thermal energy through photothermal processes via additional absorbing materials. Contrary to this conventional wisdom, we report here strong absorption of photons in the visible spectrum at the water-vapor interface by direct cleavage of water clusters via a process we call photomolecular effect. We show that this process happens at the water-vapor interface by measuring the dependence of the photomolecular evaporation rate on the wavelength, the angle of incidence, and the polarization of the incident light. The spectra signatures in the vapor phase further support the photomolecular effect. Despite the long propagation lengths of visible light in bulk water, we demonstrate that they can heat a thin layer of fog easily, suggesting that this process is ubiquitous. The photomolecular effect will have significant implications for the earth's water cycle, global warming, plant transpiration, as well as different technologies involving the evaporation of liquids from drying to power generation

研究动机与目标

• 探究可见光是否可通过一种此前未被认识的机制，直接在气-水界面驱动水蒸发。
• 挑战传统观念，即由于水对可见光的吸收较弱，太阳能蒸发必须依赖添加吸收剂实现光热转换。
• 探究在空气-水界面受可见光照射时，蒸发速率增强的物理起源。
• 确定观察到的现象是否源于界面光物理过程，而非体相光学性质或实验误差。
• 评估该效应在自然过程（如水循环）和工程应用（如太阳能蒸发与发电）中的影响。

提出的方法

• 在不同波长、入射角和偏振态下，测量可见光照射下水滴的蒸发速率。
• 通过精确测量蒸发水滴的质量变化，量化光分子效应，并比较不同光照条件下的结果。
• 利用光谱技术分析气相，检测分子碎片和表明分子簇解离的特征信号。
• 通过对照实验排除热对流或热传导作为蒸发增强主要驱动力的可能性。
• 在发现初始天平读数存在系统误差（源于斜入射光）后，重新评估数据并修订实验协议。
• 通过新实验验证结果，确认光分子效应在纠正早期测量误差后依然存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 可见光是否可通过除热蒸发以外的机制，在气-水界面直接诱导水蒸发？
• RQ2 界面处水分子簇结构在实现可见光吸收与解离中起何种作用？
• RQ3 光的波长、入射角和偏振态如何影响蒸发速率？这些依赖关系揭示了何种潜在机制？
• RQ4 气相中观察到的光谱特征是否与瞬态水分子簇的解离一致？
• RQ5 该效应在自然系统（如雾）和工程系统（如太阳能蒸发装置）中发生的程度如何？

主要发现

• 光分子效应使水-气界面能够强烈吸收可见光，尽管体相水在该波段吸收较弱。
• 在可见光照射下，蒸发速率显著增加，且其依赖于波长、入射角和偏振态，表明这是一种具有方向性和选择性的界面过程。
• 气相中的光谱特征支持照射过程中水分子簇的解离，为所提出的机制提供了直接证据。
• 尽管可见光在体相水中传播路径较长，该效应仍高度局域于界面，从而可高效加热薄层雾。
• 该现象具有强鲁棒性和可重复性，新实验在纠正初始测量误差（与光入射角相关）后，再次证实了该效应的存在。
• 光分子效应在大气科学中具有广泛影响，包括地球水循环、全球变暖和植物蒸腾作用，同时也对太阳能能量收集技术具有重要意义。