图1. 不同含水量水凝胶的可见光吸收性质。

不同波长下的蒸发率

采用如图2A所示的蒸发测量装置进行了蒸发率测量。图2B,C显示水凝胶样品受太阳辐射作用时典型蒸发过程。蒸发过程分为两阶段：初期蒸发速率小于热极限，由于试验时试样表面仍然被水所填充，这一阶段属于正常热蒸发，蒸发速率没有超出热极限；第二蒸发阶段始于水面下降到样品顶面之下。这一阶段PVA-ppy及PVA-carbon试样测量蒸发率均超过热蒸发极限（图2D）。纯PVA样品由于吸收速率低，蒸发率低于极限值（图1E和F）。作者用不同波长的LED灯进行了蒸发试验，发现第2阶段的蒸发率取决于波长（图2E和F），峰值速率为520nm。在可见光谱中，样品的吸收速率没有峰值（图1D），而其表面温度随波长单调上升。

把波长520nm处峰值蒸发率理解为光子能量和水分子团簇及其周围分子结合能之间实现匹配。短波长光照条件下蒸发速率偏低，可能为光分子效应与光热效应的较量。同等能量通量时，波长较短的光所拥有光子较少，过剩光子能量会转化成水分子团簇动能。波长越长，蒸发率越低可能是因为单个光子能激发出更小团簇。

还利用试样内嵌入式电加热器对其纯热蒸发行为进行检测，结果表明其蒸发速率绝不会超出热极限。图2I对比同一试样受太阳辐射及焦耳加热时同一表面温度重量损失情况。结果表明：太阳加热较焦耳加热更快达到稳态且蒸发速率较大，说明光分子蒸发与热蒸发明显不同。

图2. 光驱动水凝胶蒸发的特性。

水分子团在气相中的离解

通过对蒸汽层内温度分布及透射光谱的进一步测定来验证水分子团簇蒸发机理（图3）。图3示出PVA-ppy样品开，关灯时气相中温度分布情况。在实际应用中，灯开了气相温度比灯关了要低。另外，开灯后样品表面以上前2mm区（区域I）蒸汽温度降低速度要快于关灯后。

太阳加热与焦耳加热条件下的温度分布呈现相似的差异行为（图3B）：太阳辐照下靠近表面处的温度迅速降低，关灯后的温度变化相对缓和。在PVA-ppy和纯PVA样品中，样品上方6和13mm之间的温度分布（区域II）在阳光照射下几乎不变，然后又开始下降（区域III）。相反，在蒸发表面温度相近（~35.8°C）的情况下，纯水表面的热蒸发并不像一般热蒸发所预期的那样呈现出平台区（图3C）。笔者认为，区域I内温度骤降的现象可以理解为水分子团簇在空气分子碰撞下解离吸热。这一离解过程还造成开灯条件下气相温度低于关灯条件。当空气饱和时水分子团簇破裂再成核时，平台区即出现（区域II）（图3D）。在区域III,空气因周边环境新鲜空气的供给而趋于不饱和。

图3. 水分子团在气相中的离解。

光分子效应的驱动力

由麦克斯韦方程可知位移场垂直分量应连续。实际上在约3~7μ范围内电场梯度较大（图4A）。这种场梯度虽然与光电效应中的场梯度相似，但一个显着的区别是水分子本身是中性的。但水分子是极性的，个别水分子偶极矩大约是1.8D,当水分子团簇增大至~2.8D时。当界面处大电场梯度时，此电荷分离使分子产生合力，称为四极力。当这种合力以一个与时间相关的场作周期指向外时，水分子团簇可以脱离液体表面。水分子团簇脱离表面时，团簇会与其它蒸汽及空气分子发生碰撞而改变方向，使团簇内分子（图4C）分解或再向水或PVA分子聚集。

图4. 光分子效应的概念图。