پژوهشگران با بررسی ابعاد میکروسکوپی و ماکروسکوپی دریافتند نور مرئی بدون تولید حرارت، باعث تبخیر یا تغییر پیوندهای هیدروژنی آب نمی‌شود.
یکی از ویژگی‌های بنیادین علم این است که یافته‌ها و نظریه‌ها همیشه در معرض بحث و چالش‌های تجربی قرار دارند. در شرایطی که نظریه‌هایی مانند تکتونیک صفحه‌ای و وجود دیناسورهای پردار به‌طور کامل در جامعه علمی پذیرفته شده‌اند، موضوع بعدی چالش‌های علمی ممکن است بر سر یک ادعای انقلابی باشد: امکان تبخیر آب توسط نور، بدون ایجاد حرارت.
دانشمندان پس از سده‌ها مطالعه، چندین مدرک برای پدیده‌ای موسوم به «اثر فوتومولکولی» ارائه کرده بودند؛ پدیده‌ای که بیان می‌کند نور مرئی می‌تواند بدون نیاز به حرارت و صرفاً با برخورد فوتون‌ها به سطح آب، پیوندهای مولکولی را بشکند و آب را تبخیر کند. این اثر می‌توانست کاربردهای مهمی در پیش‌بینی اقلیم و نمک‌زدایی آب داشته باشد
بااین‌حال، فیزیک‌دانان مولکولی مؤسسه‌ی ماکس پلانک در ماینتس آلمان در مطالعه‌ای تازه، شماری از شرایط مطالعات قبلی را بازسازی کردند و نتایج را به‌طور مستقیم سنجیدند. آن‌ها با بازسازی شرایط آزمایش‌های گذشته و اندازه‌گیری مستقیم نتایج در ابعاد ماکروسکوپی و میکروسکوپی، رفتار آب در مرز مشترک آب و هوا (سطح آب) را هنگام تابش نور به دقت بررسی کردند.
پژوهشگران ابتدا نمونه‌ای از آب خالص را تحت تابش نور مرئی آبی، سبز و قرمز قرار دادند و با استفاده از سنسور جابه‌جایی هم‌کانال، تغییرات ارتفاع سطح آب را در دو محیط با رطوبت متفاوت و در شرایط روشن و خاموشی نور ثبت کردند.
سنجش میزان عقب‌نشینی سطح آب، امکان اندازه‌گیری مستقیم نرخ تبخیر را فراهم کرد؛ این روش برخلاف اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم در آزمایش‌های گذشته بود. طول‌موج‌های نور و زاویه تابش دیودهای لیزر بر نمونه آب، دقیقاً مشابه آزمایش‌های فوتومولکولی قبلی تنظیم شد.
با وجود شرایط، هیچ تغییری در نرخ تبخیر مشاهده نشد. پژوهشگران در این‌باره می‌گویند: «در مجموع، اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که تابش نور مرئی با شدتی مشابه شار خورشیدی، نرخ تبخیر را در یک سطح صاف آب و هوا به میزان سنجش‌پذیری افزایش نمی‌دهد.»
جهش چشمگیر در نرخ تبخیر با تابش نور مرئی، ناشی از اثرهای نوری-گرمایشی یا ساختارهای هندسی در مواد جاذب پیچیده است
تیم پژوهشی پس از بررسی‌های ماکروسکوپی، مشاهده‌های خود را به سطح میکروسکوپی برد تا رفتار مولکول‌های آب در مرز آب و هوا را بررسی کند. تحت همان شرایط تابش، اثرها با استفاده از یک کاوشگر ارتعاشی ویژه سطح سنجیده شدند. این روش به ارتعاش‌های پیوندهای اکسیژن‌هیدروژن در عمق چند آنگستروم (دو یا سه لایه بالایی مولکول‌های آب) حساس است و ساختار و وضعیت پیوندها را به‌دقت بررسی می‌کند.
طیف‌های نوری به‌دست‌آمده از آزمایش نیز هیچ تغییر سنجش‌پذیری نشان نداد. در نتیجه، دانشمندان دریافتند نور مرئی پیوندهای هیدروژنی مولکول‌های سطح آب را دستخوش تغییر نمی‌کند و این موضوع با ثابت ماندن نرخ تبخیر نیز همخوانی دارد. پژوهشگران تأکید می‌کنند که هیچ تغییری در طول‌موج ۵۳۲ نانومتر (نور سبز) که در مطالعه‌های قبلی بیشترین واکنش را ثبت کرده بود، دیده نشد.
پژوهشگران در مرحله‌ی بعد این احتمال را بررسی کردند که آیا افزایش شدید قدرت و تقویت میدان الکتریکی می‌تواند اثر فوتومولکولی ایجاد کند یا خیر. برای این منظور، تیم شدت‌های اوج را برای بازه‌های زمانی بسیار کوتاه، بیش از ۱۰ مرتبه بزرگی افزایش دادند. سپس، سطح آب را با پالس‌های نور مرئی و فروسرخ نزدیک با طول زمانی یک تا چند پیکوثانیه (یک تا سه تریلیونوم ثانیه) بمباران کردند تا بدون گرم شدن و جوش آمدن آب، حداکثر توان اوج را اعمال کنند. بااین‌حال، حتی این شار شدید فوتونی نیز نتوانست پیوندهای هیدروژنی در سطح آب را تغییر دهد.
- 20 آذر 03مطالعه '2
برای تحلیل علت تفاوت نتایج با مطالعه‌های گذشته، باید بستر آزمایش‌های قبلی را در نظر گرفت. پژوهش‌های گذشته از هیدروژل‌ها، ماتریس‌های متخلخل، قطرات آب یا ساختارهای حساس به فشار مکانیکی استفاده کرده بودند. در نتیجه، سیگنال‌های ثبت‌شده در آزمایش‌های قبلی ممکن است تحت‌تأثیر جذب و پراندگی نور، انتقال حرارت درون مواد، تراکم بخار در نزدیکی سطح یا فشار فیزیکی فوتون‌ها قرار گرفته باشند. این فرایندها می‌توانند روی اندازه‌گیری‌های غیرمستقیمی مانند تغییر جرم، طیف‌های نوری ثبت‌شده در بالای آب یا شکل قطره تأثیر بگذارند.
در نتیجه، مطالعه با نشان دادن پایداری پیوندهای هیدروژنی در مرز آب و هوا، معیاری برای بررسی دیگر سناریوهای شیمیایی و محیطی ارائه می‌کند. پژوهشگران در نهایت توضیح می‌دهند که در تمام بازه‌های طول‌موج، شدت، رطوبت و زمان بررسی‌شده، نور مرئی تبخیر یا سینتیک مولکولی را به شیوه‌ای که از اثر فوتومولکولی انتظار می‌رفت، تغییر نمی‌دهد.
پژوهشگران در جمع‌بندی نوشته‌اند که یافته‌ها علاوه‌بر حل یک چالش علمی مشخص، مبنایی دقیق برای سنجش برهم‌کنش نور و آب در سطوح مشترک فراهم می‌آورند و محدودیت‌های فیزیکی شفافی را پیش‌روی طراحی و تحلیل فناوری‌های تبخیر نوری و استحصال آب قرار می‌دهند.
بر پایه‌ی نتایج، جهش چشمگیر در نرخ تبخیر با تابش نور مرئی، ناشی از اثرهای نوری-گرمایشی (فوتوترمال) یا ساختارهای هندسی در مواد جاذب پیچیده است و به سازوکار فوتوفیزیکی جدید و ذاتی در آب مایع ارتباطی ندارد.
مطالعه در مجله‌ی PNAS منتشر شده است.
