南洋理工李洪教授《自然·通讯》：静电场助力超高效蒸发冷却技术突破，为可持续冷却开辟新路径

在全球可持续发展进程中，水在“水—能源”关联中的作用日益凸显，尤其是被动蒸发冷却技术具有巨大潜力。然而，目前蒸发冷却作为一种可持续冷却替代方案仍受限于能效提升方法的不足。与此同时，尽管静电增强水蒸发的现象已被广泛记录，其内在机制及对蒸发冷却效果的影响仍不明确。

近日，南洋理工大学李洪教授团队通过实验证实了静电场与蒸发冷却增强之间的因果关系。研究团队揭示了离子风的产生和汽化焓的调控是其中两个主导机制。该方法在电晕起始电压附近运行时，其冷却效率远超传统蒸发冷却器，并在水凝胶中的“固态水”上也表现出类似的冷却增强效果，显示出良好的应用前景。相关论文以“Electrostatic field-enabled ultra-efficient evaporative cooling”为题，发表在

Nature Communications

图1 | 静电增强下水蒸发与蒸发冷却的示意图。高压电极附近空气分子的局部电离产生离子风，吹过水面从而提升蒸发速率。此外，静电场使表面水分子极化并沿场方向排列，降低了蒸发所需的能量壁垒。这些因素共同作用，增强了蒸发冷却效果。

为探究静电场对蒸发冷却的影响，研究人员构建了一套实验装置。图2a展示了用于评估静电场增强液体水蒸发冷却的实验方案。通过逐步增加电压，水的蒸发质量通量（mevap）显著上升，在9 kV时达到基准的近6倍（图2b）。同时，水温随电场增强而下降，温差ΔT在6 kV时增加了60%（图2c）。图2d–f 进一步表明，蒸发通量与泄漏电流呈正相关，而冷却效果在电晕起始电压附近最为显著，并在电流较大时因焦耳热的影响而略有回落。

图2 | 静电场增强水蒸发下的温度与功率输入测量。 a. 评估液体水静电增强蒸发冷却的实验装置示意图。灰色散点代表2分钟平均值，黑色线段代表整段平均值（误差棒为标准差）。 b. 在0至9 kV逐步升压下的蒸发通量（mevap）时间序列。 c. 在逐步升压及[后续变化]下的温度读数时间序列。 d. 平均蒸发通量与泄漏电流随电压变化[插图：显示泄漏电流路径的等效电路]。 e. 水温与环境的平衡温差（ΔT）和电功率/焦耳热（Pelec）随电压变化。 f. mevap 和 ΔT 的增强比率（相对于0V），与 Pelec 并列显示[插图：在焦耳热可忽略时 mevap 与 ΔT 增强之间的分歧]。

通过图3a–b所示的离子风阻断实验，研究确认离子风是增强蒸发和冷却的主要机制。当使用聚苯乙烯板阻断离子路径时，蒸发通量、温差和电流均回落至初始值。此外，测得的风速与电流高度相关（图3c），而通过对流换热系数的估算与COMSOL模拟结果吻合（图3d），证实了离子风对冷却通量（qcool）的提升作用。在7 kV时，仅消耗38 W/m²的电能即可实现144 W/m²的冷却增益。

图3 | 离子风与冷却通量的测量。 a. 离子风阻断对蒸发通量（mevap）和离子电流的影响[插图：阻风实验示意图]。 b. 离子风阻断对水温的影响。 c. 平均风速（u）与离子电流的相关性，随电压变化[插图：风速测量示意图]。 d. 蒸发冷却通量（qcool）和对流换热系数（hconv）随风速的变化。虚线为COMSOL模拟结果。

研究还将该方法拓展至水凝胶中的固态水。图4a为相应的实验示意图。结果显示，固态水在静电场下蒸发增强更为显著，但因汽化焓下降较快，其冷却通量提升不如液体水明显（图4b）。不过，固态水可实现更低的温度（图4c），且因其内部无对流，温度分布更不均匀，冷却进程更慢（图4d）。图4e表明，在电晕起始电压以下，该系统的性能系数（COP）远超主动蒸发冷却器，能效极高。

图4 | PVA水凝胶中固态水的蒸发冷却。 a. 评估固态水静电增强蒸发冷却的实验示意图。 b. 固态水与液体水的冷却通量（qcool）和蒸发通量（mevap）对比。实心点为固态水，空心点为液体水。 c. 不同电压下水平衡温度与环境的温差（ΔT）和电功率（Pelec）对比。 d. 红外图像时间序列（顶视图），显示液体水与固态水在温度分布上的差异。 e. 不同电压下系统的性能系数（COP），对数坐标[插图：4 kV以上COP的线性尺度放大图]。

通过拉曼光谱（图5b），研究人员从分子层面揭示了静电场对水分子网络的重构作用。图5c–e 显示，固态水中的中间水（IW）峰强度随电压增加而上升，表明弱氢键水分子占比提高，汽化焓降低。分子动力学模拟（图5f）进一步证实，静电场使水分子偶极矩增大并沿场方向排列，从而削弱表面张力、促进蒸发。

图5 | 水分子键合网络变化引起的汽化焓变化。 a. 固态水与液体水的汽化焓（Hvap）下降百分比随电压变化。 b. 固态水拉曼光谱测试示意图。 c. 完全水合PVA水凝胶的拉曼光谱，解卷积为1个CH峰和3个OH拉伸子峰（2个自由水峰FW1、FW2和1个中间水峰IW）。 d. 中间水（IW）与自由水（FW）的峰强度比随电压变化。 e. 子峰中心频率随电压移动。 f. 分子动力学模拟得到的水分子偶极矩大小与方向随垂直静电场变化[插图：偶极矩与场方向的夹角]。

该研究不仅阐明了静电场增强蒸发冷却的双重机制——离子风增强对流和分子排列降低汽化焓，也展示了其在液态与固态水中的普适性。尤其在低电压下，该系统能以极小能耗实现大幅冷却提升，效能比远超现有冷却技术，为开发高效、低成本的被动冷却方案提供了新途径，有望广泛应用于建筑冷却、食品医药储存等领域。

来源：高分子科学前沿

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