열 없이 빛을 쪼이는 것만으로 물이 증발하게 할 수 있을까? 지난해 특별한 조건에서 빛이 물 분자를 증발시키는 '광분자효과'(photomolecular effect)를 발견한 미국 연구진이 이런 현상이 자연에서 보편적으로 일어날 수 있다는 것을 다양한 실험으로 증명했다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 강첸 교수팀은 25일 과학 저널 미 국립과학원 회보(PNAS)에서 다양한 실험을 통해 가시광선 속 광자(photon)가 공기와 물 경계면의 물과 충돌해 물 분자가 떨어져 나오게 하는 광분자 효과가 있음을 증명했다고 밝혔다.

연구팀은 광분자 효과가 구름의 햇빛 흡수에 관한 오랜 수수께끼 해결에 기여해 기후변화 계산에 영향을 미치고, 햇빛을 이용한 해수 담수화나 건조공정 등 산업에도 응용될 수 있다고 말했다.

연구팀은 이 연구에서 다양한 파장의 빛을 다양한 각도로 물에 쪼이는 14가지 실험을 통해 광분자 효과가 특수한 하이드로겔뿐 아니라 호수처럼 평평한 표면이든 수증기 방울 같은 곡면이든 모든 물 표면에서 나타난다는 사실을 확인했다.

서로 다른 조건에서 실시한 네 가지 실험에서 모두 가시광선을 받은 물 표면에서 증발이 시작된 후 수면 위 공기 온도가 냉각됐다가 회복되는 현상이 관찰됐다. 이는 증발이 열에너지에 의한 것이 아님을 보여주는 것으로 풀이된다.

또 증발 효과가 빛을 쪼이는 각도와 빛의 색깔(파장), 편광성 등에 따라 달라지는 현상도 나타났다. 이 파장대에서는 물이 빛을 거의 흡수하지 않기 때문에 기존 이론대로라면 이런 현상이 나타나지 않아야 한다고 연구팀은 밝혔다. 광분자 효과는 빛이 45도 각도로 수면에 닿을 때 그리고 횡 자기 편광(transverse magnetic polarization)이라는 특정 유형의 편광에서 가장 강했고, 빛 색깔 중에서는 물과 상호작용이 가장 적은 녹색 빛에서 가장 강했다.

연구팀은 이 현상이 구름의 햇빛 흡수에 관한 기후 과학의 80년 미스터리에 해답을 제공할 것으로 기대한다. 구름은 기존 물리학에서 예상하는 것보다 더 많은 햇빛을 흡수하고 있지만 그 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 연구팀은 구름에서 광분자 효과로 인한 추가 증발이 일어난다면 구름의 햇빛 흡수 미스터리를 설명할 수 있다며 이는 기후 변화가 구름과 강수량에 미치는 영향 계산에도 영향을 미칠 수 있다고 밝혔다.

첸 교수는 광분자 효과는 구름에서 안개, 바다, 토양, 식물 표면에 이르기까지 자연에서 광범위하게 일어날 수 있고 많은 분야에 응용될 수 있을 것이라며 태양광 해수 담수화나 재료 건조 같은 산업공정 설계로도 이어질 수 있다고 말했다.

◆ 출처 : PNAS, Gang Chen et al., 'Photomolecular effect: visible light interaction with air-water interface, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2320844121