光が熱なしで水を蒸発させうることを示したMITの研究
(news.mit.edu)- 水の蒸発は通常 熱入力 で説明されてきたが、MITの研究チームは水と空気が接する 界面 で、光が直接蒸発を引き起こしうると結論づけた
- ハイドロゲル（hydrogel）に束縛された水は、従来の実験で 熱的限界 を2倍、3倍以上上回る速さで蒸発し、MITチームは新たな実験・シミュレーション・既存結果の再検討によってこれを確認した
- 色ごとの光を照射すると蒸発率は波長によって変化し、緑色の波長 でピークを示した一方、同じ熱入力を電気加熱で与えた場合は限界を超えなかった
- 研究チームはこの現象を photomolecular effect と呼び、太陽光淡水化・乾燥・蒸発冷却プロセスへの活用法を研究している
- 霧や雲の形成・進化にも影響しうるため、気候モデルの精度向上と他研究グループによる再現検証が重要な課題として残っている
水の蒸発理解で見落とされていたかもしれない要素
- 蒸発は汗による冷却や朝日で消える露のように身近な現象だが、その過程に関する科学的理解には 抜け落ち があった可能性がある
- ここ数年、一部の研究者はスポンジ状材料であるハイドロゲルに含まれた水が、受けた熱量で説明できる速度よりもはるかに速く蒸発する現象を観測していた
- 超過蒸発率は理論上の最大値の 2倍、3倍以上 に達しうる
- 理論上の最大値とは、エネルギー保存などの基本物理法則に基づいて、与えられた熱入力で可能な最大蒸発量を意味する
MIT研究チームの結論と論文
- MIT研究チームは、新たな実験とシミュレーション、そして熱的限界を超えたと報告した複数グループの結果の再検討を経て、水と空気の界面で 光そのもの が蒸発を引き起こしうると結論づけた
- 実験では水はハイドロゲル内にあったが、研究チームはこの現象が他の条件でも起こりうるとみている
- 研究結果はPNASの論文 “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit.” に掲載された
なぜ驚くべき発見なのか
- 水自体は光をあまり吸収しないため、きれいな水中では数メートル下でも比較的はっきり見ることができる
- 研究チームも当初は太陽光淡水化における蒸発過程を研究する中で、日光を熱に変換するために水へ 黒色の光吸収粒子 を加えていた
- その後、別のグループがハイドロゲルに束縛された水で熱的限界の2倍に達する蒸発率を実現した研究を知り、MITチームは当初懐疑的だった
- ChenとTuは、そのグループのハイドロゲル片も含めて独自実験を開始し、太陽光シミュレーター下で異常に高い蒸発率を確認した
実験方法と中核的な証拠
- 研究チームは、ほとんどが水でできており、薄膜状のスポンジ構造に束縛された JELL-Oのようなハイドロゲル の表面を観察した
- 精密に制御した波長の模擬太陽光をハイドロゲル表面へ順次照射しながら蒸発率を測定した
- 水を含んだハイドロゲルを入れた容器をはかりの上に置き、蒸発によって減る質量を直接測定した
- ハイドロゲル表面の温度も同時にモニタリングした
- 照明が追加の熱を与えないよう遮蔽した
- 蒸発効果は光の色によって変化し、特定の 緑色の波長 で最大となった
- この色依存性は熱だけでは説明しにくく、光そのものが蒸発の一部を引き起こしているという解釈を支持する
- 同じ装置で、光を使わず電気で材料を加熱して同一の熱入力を与えた場合、蒸発量は 熱的限界 を超えなかった
- 一方で模擬太陽光を点灯すると熱的限界を超え、追加の蒸発の原因が光であることが確認された
photomolecular effectという仮説
- 研究チームは、光の光子が水表面で水分子の集まりを直接引き離せる可能性があるとみている
- この効果はハイドロゲル表面の水-空気 境界層 でのみ起こりうる
- 海面や雲・霧の中の水滴表面でも同じ現象が起こる可能性がある
- Chenによれば、水自体もハイドロゲル自体も光をあまり吸収しないが、両者が組み合わさると強い吸収体になる
- この組み合わせは、暗色の染料がなくても太陽光の光子エネルギーを効率的に利用し、熱的限界を超えられる
淡水化・乾燥・冷却への応用可能性
- 研究チームはこの効果を photomolecular effect と呼び、実用化の方法を研究している
- MITのAbdul Latif Jameel Water and Food Systems Labの支援を受け、太陽光淡水化システムの効率改善を研究している
- Bose Grantを通じて、この現象が気候変動モデリングに与える影響も探っている
- 標準的な淡水化プロセスは通常2段階で構成される
- まず水を蒸気へ蒸発させる
- その後、蒸気を凝縮して淡水として液化する
- Tuは今回の発見により、蒸発段階の効率を高められるとみている
- Chenは理論上、現在の太陽光淡水化における水生産の限界である1平方メートル当たり 1.5kg を、光ベースの手法で3〜4倍まで高められる可能性があると考えている
- 材料を乾かす必要があるプロセスにも応用できる可能性がある
- Tuは、相変化を利用して高効率の 太陽光冷却システム を実現する蒸発冷却プロセスにも活用できるとみている
気候モデルと再現検証
- この現象は霧や雲の形成と進化に影響を与える可能性がある
- その場合、気候モデルの精度を高めるには、この効果をモデルに組み込むことが重要になるかもしれない
- 予想外の結果とそれを説明する仮説への懐疑論を乗り越えるため、研究チームは結果の再現を試みる他グループと緊密に協力している
2件のコメント
タイトルだけを見ると、光電効果に近いものなのかなと思いますね。
Hacker Newsでの反応
研究チームは緑色の特定波長で効果がピークに達すると述べていたが、これが光合成にも影響するのか気になる。
植物はクロロフィルが緑色を吸収しないため緑に見える、と記憶しているが、緑の光が蒸発を過度に誘発するから、という可能性もあるのではないかと思う。
緑色は可視光域で圧倒的に最も明るく、暗い紫色は最も明るくない。紫色を反射する植物は可視光を最も多く吸収し、糖を最も多く作れる。多くの植物は生産モードから暗所モードへ移るのに化学的な切り替えが必要だが、緑を反射することで最大のエネルギー生産を諦める代わりに、内部の化学的安定性を得ているということだ。
植物には血液をポンプで送り栄養を供給する心臓がないので、根から上方へ栄養を運ぶには蒸発に頼る必要がある。
木が空気中にある種の霧を放出するという研究も覚えているが、緑の葉がその過程にも役立つのかもしれないと思う。
この話が熱力学的に何を意味するのかよく分からない。
液体の水を水蒸気に変えるのに必要な単位質量あたりのエネルギーは決まっているのではないのか？ そのエネルギーが光から来ようが何だろうが、なぜ変わるのか分からない。
通常の蒸発は、個々の水分子が分子間結合を断ち切れるだけの熱エネルギーを得て、液体の塊から抜け出し空気中へ入ることで起こる。
今回の場合、水分子が複数まとまった集団として取り除かれているという強い証拠を見つけた、ということだ。このような集団では分子間結合がまだ切れていないため、個々の分子として蒸発する場合よりも空気中に入るのに必要な熱エネルギーが少ない。その後、これらの集団が空気中で分裂しながら空気から熱エネルギーを吸収し、試料表面から数mm離れた場所の空気温度をわずかに下げる。
分子集団の形で蒸発が起こるというのは奇妙なことで、一般的な蒸発の仕組みとは大きく異なる。この集団が個々の分子に分かれる前は完全な水蒸気とは言いにくいので、これを蒸発と呼んでよいのかさえ確信がない。
単純に単位質量あたりのエネルギーから予想するより、ずっと速く蒸発しているということだ。
光子が、すでに気体側へ移る寸前の分子に当たり、その程度の作用で霧のようにしてしまうのだと思う。水が温められてから飛び出すのではなく、加湿器のように気体側へ押し出される感じだ。
論文は光と「熱」を区別しているが、この実験の文脈では、エネルギーをどう伝えるかの違いに近い。水全体を温めて伝えるのか、光を当てて個々の水分子と相互作用させるのかの違いだ。
実用面では、蒸発効率を高める可能性がある。水全体を加熱すると損失が大きく、投入したエネルギーのかなりの部分が水に行かない。水と強く相互作用して蒸発を起こす特定の波長を見つけられれば、過程で失われる入力エネルギーを大幅に減らせる。
素人理解で尋ねると、これは水の電磁吸収スペクトルと関係があるのだろうか？
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Absorpti...
記事で言う「緑色」の波長は、ちょうど吸収が最も低い地点のように見える。だとすると、熱は電磁的な抵抗の結果として生じるということなのだろうか？ マイクロ波で水分子が振動するように。
同様に、化学的な日焼け止めは複数の結合が特定の波長を吸収して振動し、紫外線を熱に変える。
関連論文は “Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit” (2023) https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2312751120 だ。
緑の波長である520nmで蒸発率がピークに達し、光の下では蒸気温度がより低くなり、水分子集団が表面から離脱する光分子効果を仮説として提示している。自然界、気候、植物の成長だけでなく、クリーンな水やエネルギー技術にも影響し得ると見ている。
低コストの集積フォトニクスが淡水化や殺菌のような用途に役立つのか気になる。関連して、さまざまな製造コストの集積フォトニクス手法もある: https://news.ycombinator.com/context?id=38056088
本当にすごいのに、なぜ今まで偶然見つからなかったのか不思議に思う
ざっくり計算するだけでもかなり明らかだったように思えるが、それとも使われたハイドロゲルの特殊性ともっと関係があるのだろうか？
電子の電荷の測定値がどのように少しずつ改善されていったかを話す中で、Millikan の値より高すぎる数字が出ると何かがおかしいと見なして理由を突き止めてしまい、Millikan の値に近いと疑いが弱かったという。だから、あまりにも外れた数字を取り除くようなことが起きており、今日ではそうしたコツを学んでいるので、その病にはあまりかからないという内容だった
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
化学、材料科学、凝縮系物理ではこういうことは常にある。組み合わせられる方法は無限にあり、その一部だけが興味深い。こうした現象を切り分けるには、多くの手作業が必要になる
記事では見当たらなかったが、きっとどこかでは検討されているはずの2点が気になる
水に囲まれた水分子とハイドロゲル内の水との間で結合強度がどう違うのか、そして純水の表面が空気に露出している場合と、水・ハイドロゲル表面が空気に露出している場合で部分圧の差がどうなるのか、という点だ
非常に興味深い追試・後続研究が必要に見える
ここには誤解があるように思う。この研究は、水がハイドロゲルの境界層にあるとき、本来なら吸収しない光を吸収し、その結果、単に加熱した場合より速く蒸発するという未知のメカニズムを見つけたものだ
ミスや持続不可能な副反応でないなら、淡水化のように蒸発が必要な作業をより安価にできる
ただし、エネルギー保存則に反する意味だと受け取る人が多いように見える
誰かがこの効果を使ってヒートポンプを作る方法を見つけるまで、どれくらいかかるのか気になる
コンプレッサーが不要なら、このような「光分子ヒートポンプ」は小型化しやすいかもしれない。ほかの溶媒や冷媒が水より効率的な作動流体になるのかも気になるし、本当に興味深い
おそらく光分子効果でヒートポンプの蒸発器内の冷媒を沸騰させよう、という意味なのだと思うが、沸騰は流体温度が十分に上がってすべての分子間結合が切れ始めるときに起こるバルク過程だ。蒸発は、表面で一部の分子がランダムに分子間結合から抜け出し、周囲の空気と混ざる過程である。名前に反して、ヒートポンプの蒸発器で起きているのは蒸発ではなく沸騰だ
光分子効果は沸騰を起こさず、蒸発だけを起こす。蒸発器で本当の蒸発が起きることを望みもしないだろう。空気が必要になり、そうすると冷媒と一緒に大量の空気を圧縮しなければならず、エネルギーを大きく浪費することになる
最初に思い浮かんだのは冷却塔への応用だった。冷却塔は水の蒸発でさまざまなプロセス流体を冷やす。しかし冷却塔では、蒸発が水の熱を吸収して水温を下げることを望む。この効果は光と空気の熱を使うため、実際に水から吸収される熱量を減らしてしまう
工学的な応用があるとすれば、乾燥工程や受動的淡水化のように、最終目標が水そのものの蒸発である場所である可能性が高い
Gang Chen は最近、中国との研究協力に関連して米国政府から不当に中傷され、起訴された人物だ
立ち直る姿を見られてうれしい
関連する進行中のスレッド: Photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit - https://news.ycombinator.com/item?id=38112574