Однією з основних рис науки є те, що її результати та ідеї підлягають емпіричному обговоренню. Але з тектонікою плит та пір'яними динозаврами, які вже стали загальноприйнятими, наступним предметом дискусії може стати революційна пропозиція, що світло може випаровувати воду, але не шляхом нагрівання.
Виявлення нового типу випаровування після всього цього часу стало б вражаючим. Проте вчені повідомили про численні докази цього фотомолекулярного ефекту, з очевидно великими застосуваннями в прогнозуванні клімату та опрісненні води.
Однак нова стаття в журналі PNAS стверджує, що ці результати можуть бути наслідком методів, використаних у тих дослідженнях, а не вродженої фізичної властивості світла та води.
Молекулярні фізики з Інституту полімерних досліджень Макса Планка в Майнці, Німеччина, відтворили деякі умови минулих досліджень і безпосередньо кількісно визначили результати на макроскопічному та мікроскопічному рівнях, щоб дослідити, що насправді відбувається з міжфазною водою – межою між поверхнею води та повітрям – коли її обстрілюють світлом.
Спочатку дослідники піддали зразок чистої води впливу синього, зеленого та червоного видимого світла, використовуючи конфокальний датчик для відстеження висоти поверхні води в умовах "світло увімкнено" та "світло вимкнено" в двох вологісних середовищах.
Вимірюючи, наскільки знизилася поверхня води, вони могли безпосередньо визначити її швидкість випаровування. На відміну від минулих експериментів, які могли використовувати непрямі вимірювання.
Ці довжини хвиль світла та кут, під яким діодні лазери впливали на зразок води, відповідали таким фотомолекулярним експериментам. На диво, вони не виявили жодних змін.
"Враховуючи всі ці вимірювання, видно, що видиме освітлення з інтенсивністю, порівнянною з сонячним потоком, не помітно підвищує випаровування на плоскій повітряно-водяній межі", – кажуть дослідники.
З цими макроскопічними вимірюваннями випаровування вони звернулися до мікроскопічного рівня, щоб побачити, що відбувається з молекулами води на межі повітря-вода; чи відповідатиме це спостереженням макроскопічного випаровування?
Щоб дізнатися, вони використали ті ж умови освітлення, що й раніше, і спостерігали за ефектами за допомогою специфічного для поверхні вібраційного зонда.
Ця техніка чутлива до вібрацій зв'язків кисень-водень у молекулах води на глибинах всього кількох ангстромів (кілька десяти мільярдних часток метра) і охоплює верхні два або три шари води.
Оскільки ця техніка чутлива до орієнтації, сили зв'язку та локального поля груп кисень-водень, вона досліджує саму суть фотомолекулярного ефекту.
Цікаво, що спектри (світлові сигнатури) з цього експерименту знову не показали вимірних змін, що свідчить про те, що видиме світло не вплинуло на водневі зв'язки молекул води на поверхні, що узгоджується з незмінною швидкістю випаровування.
Важливо, що експерименти не показали модифікацій на 532 нанометрах, довжині хвилі зеленого світла, яка сприяла найсильнішій реакції в попередніх дослідженнях, зазначають дослідники.
"У межах експериментально доступного режиму, дослідженого тут, не знайдено жодних доказів не термічного впливу видимого світла на міжфазну воду або динаміку випаровування", – додають вони.
Але що станеться, якщо підвищити потужність? Виникаюче електричне поле може все ще виробити бажаний фотомолекулярний ефект, який, як вважається, залежить від поля.
Отже, дослідники провели експеримент, в якому вони збільшили пікові інтенсивності більш ніж на десять порядків величини на короткі періоди.
Вони обстрілювали поверхню води імпульсами видимого та ближнього інфрачервоного світла, які тривали від одного до кількох трильйонних часток секунди (приблизно 1 до 3 пікосекунд); адже вони хотіли максимізувати пікову потужність, а не зварити спагетті.
Але навіть ці екстремальні потоки фотонів не змогли помітно порушити водневі зв'язки на межі повітря-вода.
Щоб контекстуалізувати ці результати з результатами минулих досліджень, можна розглянути середовище, яке використовувалося.
Попередні дослідження могли використовувати гідрогелі, пористі матриці, краплі води або інші потенційно механічно чутливі конфігурації.
В результаті сигнали, пов'язані з цими експериментами, могли бути під впливом поглинання та розсіювання світла, теплопередачі в матеріалах, концентрації пари поблизу поверхні або фізичного тиску, що чиниться фотонами.
Ці процеси також можуть впливати на непрямі вимірювання, відстежувані в попередніх дослідженнях, включаючи зміни маси, світлові спектри, зафіксовані над водою, або форму крапель.
Отже, ця робота підкреслює стабільність водневих зв'язків на межі повітря-вода, надаючи еталон для тестування інших хімічних або екологічних сценаріїв.
Нарешті, дослідники пояснюють, що в межах досліджуваних тут діапазонів довжини хвилі, інтенсивності, вологості та часу видиме світло не змінює випаровування або молекулярну кінетику, як це очікувалося б від фотомолекулярного ефекту.
"Ці результати не лише вирішують конкретну суперечку, але й надають надійний еталон для взаємодій світла та води на межах і забезпечують чіткі фізичні обмеження для проектування та інтерпретації технологій, що використовують світло для випаровування та збору води", – підсумовують дослідники.
"Вони показують, що значне підвищення випаровування, викликане видимим світлом, повинно виникати з фототермальних або геометричних ефектів у складних, поглинаючих матеріалах, а не з нового фотофізичного шляху, притаманного рідкій воді."
Дослідження було опубліковано в PNAS.