Surprise : la lumière peut vaporiser l’eau, même sans chaleur

Tout le monde sait que l’eau et tous les autres liquides commencent à se transformer en gaz au-delà d’un certain seuil de température. Cela fait des siècles que les humains comprennent intuitivement cette évaporation, qui est omniprésente dans la nature. Depuis l’émergence de la thermodynamique au XIXe siècle, les physiciens ont même réussi à s’approprier toutes les nuances de ce changement de phase, et ce jusqu’à la plus petite des échelles. Ou du moins, c’est ce que l’on pensait jusqu’à présent.

Des chercheurs viennent de publier une étude qui montre que la chaleur n’est pas le seul facteur qui pousse l’eau à s’évaporer; il se trouve que la lumière visible joue également un rôle dans ce processus. Une découverte qui pourrait avoir des implications profondes en météorologie, en astronomie, et dans plusieurs branches de l’industrie.

Pas de fumée sans feu, mais de l’évaporation sans chaleur

Ces travaux reposent sur une autre étude du MIT publiée l’année dernière. Ses auteurs avaient annoncé la découverte d’un nouveau phénomène, baptisé effet photomoléculaire. Ils ont observé que les molécules d’eau contenues dans un hydrogel à la composition bien précise pouvaient être directement catapultées dans les airs par des rayons lumineux, même sans le moindre apport de chaleur.

Un constat particulièrement intrigant pour l’équipe de Carl Richard Soderberg, qui a donc décidé de pousser l’investigation plus loin pour vérifier si cette conclusion pouvait également être valable dans d’autres conditions. Et contre toute attente, ces chercheurs ont observé que l’effet photomoléculaire semble en fait quasiment universel !

Puisqu’il s’agissait d’un phénomène jamais documenté jusqu’à présent, ils ont dû développer un protocole particulièrement rigoureux pour le démontrer. Au total, ils ont mené pas moins de 14 expériences indépendantes pour écarter tous les autres facteurs qui auraient pu conduire à une erreur d’interprétation. Par exemple, ils ont systématiquement observé que la température de l’air au contact de l’eau ainsi vaporisée n’augmente pas du tout. Cela démontre que l’énergie thermique n’est pas à l’origine de l’évaporation associée à l’effet photomoléculaire.

Encore plus étonnant, ils ont constaté que cette évaporation dépend directement des propriétés du rayon lumineux incident. “Cela ne devrait pas arriver parce que dans le domaine du visible, l’eau n’absorbe quasiment pas la lumière“, explique le communiqué des auteurs. Et pourtant, ils ont observé que l’angle du rayon, sa longueur d’onde, ou encore sa polarisation jouent tous un rôle. Par exemple, l’effet photomoléculaire est plus marqué lorsque les photons frappent les molécules d’eau avec un angle de 45° par rapport à la surface. Il est aussi plus intense lorsqu’on utilise de la lumière verte. Là encore, c’est plutôt surprenant, parce qu’il s’agit de la gamme de longueurs d’onde qui est la moins absorbée par l’eau.

Pour le moment, les chercheurs ont encore du mal à cerner les mécanismes qui permettent à la lumière d’éjecter des molécules d’eau de cette façon. C’est notamment le cas pour la dépendance du phénomène à la couleur; l’équipe n’a pas la moindre idée d’où elle provient.

Des applications potentielles en recherche et dans l’industrie

En revanche, ils sont convaincus que cette découverte pourrait avoir des implications importantes. Par exemple, elle pourrait permettre de résoudre un vieux mystère sur lequel les climatologues se cassent les dents depuis 80 ans. En effet, plusieurs études ont déjà mis en évidence un phénomène curieux au niveau des nuages ; ils ont tendance à absorber plus de lumière que ce qui devrait être possible selon les lois de la physique (voir ce papier de recherche). L’évaporation supplémentaire associée à l’effet photomoléculaire pourrait enfin permettre d’expliquer cette incohérence qui suscite de vifs débats chez les spécialistes.

Au-delà de la science fondamentale, ces travaux pourraient aussi être intéressants pour l’industrie. En effet, l’évaporation entre dans le processus de production de très nombreux matériaux et substances qui nécessitent d’être séchés. Or, il s’agit généralement d’un processus très énergivore. “Le séchage représente 20% de toute l’énergie utilisée dans l’industrie”, expliquent les auteurs. En outre, certains produits sont fortement sensibles à la chaleur, ce qui a tendance à compliquer les opérations. Dans ce contexte, un système de séchage basé sur la lumière pourrait permettre de réduire massivement la facture par rapport aux systèmes de chauffage et de circulation d’air traditionnels.

Un nouveau champ de recherche prometteur

Les chercheurs insistent sur le fait que tout cela relève encore de la théorie à l’heure actuelle. Puisque le processus est encore très mal documenté, il va falloir mener toute une ribambelle de travaux complémentaires pour comprendre les tenants et les aboutissants de l’effet photomoléculaire. Mais le reste de la communauté scientifique semble très impressionnée, autant par la rigueur de cette étude que par ses implications.

“Ces observations décrivent un nouveau mécanisme physique qui transforme fondamentalement notre façon d’appréhender la cinétique de l’évaporation”, explique Shannon Yee, une professeure d’ingénierie mécanique à l’Université de Georgia Tech qui n’a pas participé à l’étude. “Qui aurait pu croire qu’il restait encore des choses à apprendre sur un processus aussi mondain que l’évaporation ?”

Il sera donc très intéressant de suivre les retombées de cette étude, et de voir comment l’effet photomoléculaire sera exploité dans l’industrie et la recherche fondamentale.

L’article de recherche est disponible ici.

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