2021年12月，MRS秋季会议在美国波士顿线下及线上同步举行，来自麻省理工学院的陈刚教授受邀到现场做了专题学术报告，报告题为“Thermodynamic modeling of hydrogel and photomolecular effect in hydrogel evaporation”，相关研究获得了领域同行的广泛关注。

近年来，水凝胶凭借其独特的优势，被广泛应用于各类柔性电子、分布式能源等相关领域，其中，2018年UT Austin大学的Guihua Yu教授课题组和时任科罗拉多大学教授的杨荣贵课题组利用PVA-聚吡咯水凝胶作为吸收层，进行液体挥发收集的相关水处理实验，实验观测到水凝胶体系能取得高于纯水体系热力学极限的蒸发量。 

陈刚教授课题组一直关注太阳能水处理及水凝胶研究的新进展，联合多位同事及同行在经历数年实验探索和理论研究后，发现入射光波长和温度会同时影响蒸发性能。此后，采用电加热方式，进一步提升了能量效率。基于实验现象，陈刚教授对水凝胶的热力学理论展开研究，重新推导了水凝胶/溶液界面的热力学平衡条件，并且突破性的将热力学压强引入了Flory自由能理论。理论推导发现，水凝胶内部的水分子相比纯水具有更高的热力学压强和更高的焓值，因此水凝胶体系的蒸发焓变减小。在相同的光照功率下，水凝胶体系蒸发量便会高于纯水蒸发量的热力学极限。该理论指出了进一步提高蒸发量的策略，即可以通过降低交联单元数量和增加盐含量来提高水凝胶体系的热力学压强。该热力学理论对水凝胶从空气中捕获水、渗透及脱盐等应用均具有指导作用。

光分子效应(photomolecular effect)示意图

最后，陈刚教授对相关工作进行了总结，首先，研究发现光照下水团簇在界面的分裂过程，并将其称之为光分子效应，并重新推导了水凝胶界面的热力学平衡以及凝胶体系的Flory自由能理论，阐明了水凝胶体系蒸发量超越纯水热力学极限的物理机制。同时，陈刚教授表示这一工作只是初期的尝试，接下来还有很多值得研究的部分，包括该现象能否在其他体系中实现，能否在其他液体中发生以及如何量化表征光分子效应等等。

论文预印版链接：https://arxiv.org/abs/2111.12543