سالهاست دانشمندان میدانند که نور خورشید میتواند با گرمکردن آب، فرایند تبخیر را سرعت ببخشد؛ اما ادعای دیگری در سالهای اخیر مطرح شده بود: شاید خودِ نور، بدون نیاز به گرما، بتواند مولکولهای آب را از سطح جدا کند. اکنون پژوهشگران با تاباندن نور به آب، حتی با شدتهایی بیش از ۱۰ میلیارد برابر نور خورشید، شواهدی برای چنین اثر مستقیمی پیدا نکردهاند.
به گزارش سیناپرس،آیا نور میتواند آب را بدون گرمکردن آن تبخیر کند؟ این پرسش در سالهای اخیر به یکی از بحثهای جالب در فیزیک آب تبدیل شده است. برخی مطالعات پیشین شواهدی از پدیدهای موسوم به «اثر فوتومولکولی» ارائه کرده بودند؛ پدیدهای که بر اساس آن، نور میتواند مستقیماً بر مولکولهای آب در سطح مشترک آب و هوا اثر بگذارد و تبخیر را افزایش دهد.
اکنون پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای پژوهش پلیمر در آلمان با بازسازی شرایط آزمایشهای قبلی، این ادعا را از دو زاویه بررسی کردهاند: اندازهگیری مستقیم میزان تبخیر آب و بررسی رفتار مولکولهای آب در مقیاس میکروسکوپی.
نتایج این مطالعه که در نشریه PNAS منتشر شده، نشان میدهد در شرایط بررسیشده، نور مرئی نه باعث افزایش قابلاندازهگیری تبخیر آب شده و نه تغییر محسوسی در ساختار مولکولی سطح آب ایجاد کرده است.
نور قرمز، سبز و آبی؛ بدون افزایش تبخیر
پژوهشگران ابتدا نمونهای از آب خالص را در معرض نور مرئی قرمز، سبز و آبی قرار دادند. شدت و زاویه تابش به شرایطی نزدیک بود که در پژوهشهای پیشین درباره اثر فوتومولکولی استفاده شده بود.
برای اندازهگیری مستقیم تبخیر، پژوهشگران تغییر ارتفاع سطح آب را هنگام روشن و خاموش بودن نور اندازهگیری کردند. آزمایش در دو شرایط رطوبتی مختلف انجام شد.
نتیجه روشن بود: تابش نور در شدتهایی قابل مقایسه با تابش خورشیدی، تغییر قابلاندازهگیری در سرعت تبخیر ایجاد نکرد.
آیا نور ساختار مولکولهای آب را تغییر میدهد؟
پژوهشگران در مرحله بعد به سراغ مقیاس مولکولی رفتند تا ببینند آیا ممکن است نور در سطح آب تغییراتی ایجاد کند که در اندازهگیری مستقیم تبخیر دیده نشده باشد.
آنها از یک روش طیفسنجی ارتعاشی استفاده کردند که میتواند رفتار پیوندهای اکسیژن ـ هیدروژن در لایههای بسیار نازک سطح آب را بررسی کند؛ لایههایی در حد چند آنگستروم، یعنی تنها چند لایه مولکولی.این اندازهگیریها نیز نتیجه مشابهی داشتند: نور مرئی تغییر قابلاندازهگیری در پیوندهای هیدروژنی یا ساختار مولکولی آب در سطح ایجاد نکرد.
حتی در طول موج ۵۳۲ نانومتر، یعنی نور سبز که در برخی مطالعات قبلی قویترین پاسخ به اثر فوتومولکولی را نشان داده بود، تغییر محسوسی مشاهده نشد.
وقتی شدت نور ۱۰ میلیارد برابر شد
پژوهشگران برای اطمینان بیشتر، آزمایش را به شرایط بسیار شدیدتری بردند. آنها شدت لحظهای نور را بیش از ۱۰ مرتبه بزرگی افزایش دادند و سطح آب را با پالسهای نور مرئی و نزدیک به فروسرخ، با طول مدت تنها حدود یک تا سه پیکوثانیه، هدف قرار دادند.
با وجود این شدت بسیار بالا، باز هم تغییر قابلاندازهگیری در ساختار پیوندهای هیدروژنی آب مشاهده نشد.به بیان ساده، حتی زمانی که پژوهشگران نور را با شدت بسیار بیشتری از نور خورشید به سطح آب تاباندند، شواهدی از آن سازوکار غیرگرمایی مورد انتظار برای اثر فوتومولکولی پیدا نکردند.
پژوهشگران احتمال میدهند بخشی از تفاوت نتایج مطالعات قبلی به شرایط آزمایش و روش اندازهگیری مربوط باشد.برخی پژوهشهای پیشین از موادی مانند هیدروژلها، ساختارهای متخلخل، قطرات آب یا محیطهایی استفاده کرده بودند که میتوانند در برابر نور و گرما واکنشهای فیزیکی پیچیدهتری نشان دهند.
در چنین محیطهایی، عواملی مانند جذب و پراکندگی نور، انتقال گرما، میزان بخار نزدیک سطح آب یا حتی فشار مکانیکی ناشی از فوتونها میتوانند بر نتایج اثر بگذارند.
همچنین برخی روشهای غیرمستقیم اندازهگیری، مانند تغییر جرم، بررسی طیف نور بالای سطح آب یا تغییر شکل قطره، ممکن است تحت تأثیر همین عوامل قرار گرفته باشند.
آیا «تبخیر با نور» منتفی شد؟
این مطالعه نمیگوید هیچ شرایطی وجود ندارد که نور بتواند به افزایش تبخیر منجر شود. یافته پژوهشگران مشخصتر است: در محدوده طول موج، شدت نور، رطوبت و زمان بررسیشده، شواهدی از افزایش تبخیر ناشی از یک سازوکار فوتومولکولی ذاتی در آب مایع پیدا نشد.
به گفته پژوهشگران، اگر در مواد پیچیده و جاذب، افزایش قابلتوجه تبخیر در اثر نور مشاهده شود، احتمالاً باید نقش گرما یا ویژگیهای هندسی و ساختاری محیط را بررسی کرد، نه اینکه آن را الزاماً به یک سازوکار فیزیکی جدید در خود آب نسبت داد.
این یافته میتواند بهعنوان یک معیار مرجع برای مطالعه برهمکنش نور و آب در سطح مشترک و همچنین طراحی و تفسیر فناوریهای مبتنی بر تبخیر با نور و برداشت آب مورد استفاده قرار گیرد.
نتایج این پژوهش در نشریه PNAS منتشر شده است.