液體噴霧冷卻廣泛應用于電力電子設備的熱管理。直接噴水雖然簡單，但不可避免地導致大量水浪費。用水凝膠涂層保水可以減少水的消耗，但現有的非多孔涂層由于水再吸收緩慢而存在局限性。浙江大學化工學院的趙騫教授團隊提出并實現了一種噴涂方法，可以原位快速形成多孔水凝膠涂層，可快速吸收并固定用于蒸發降溫的水，從而提高熱管理效率。相關成果“Sprayable porous hydrogel coating for efficient and sustainable evaporative cooling”2024年9月23日發表在Matter上。論文通訊作者為倪楚君研究員與趙騫教授，第一作者為博士生李燁。
電子設備過熱后效率顯著降低，壽命縮短，甚至永久性損壞。工業界采用包括輻射制冷、熱管冷卻和液體噴霧冷卻在內的多種冷卻方法。其中，液體噴霧冷卻因其高熱傳遞通量、靈活的溫度控制、以及操作簡單等特點被廣泛用于工業設備降溫。水作為冷卻液具有低成本、無污染和高蒸發焓等優勢。然而，直接噴灑水在開放系統中會導致大量消耗，重新收集冷卻水在經濟上往往不切實際。因此，平衡有效熱管理與資源節約的可持續解決方案至關重要。
水凝膠是能夠儲存大量水，水分蒸發后續吸水再生以重復降溫工作。但普通無孔水凝膠吸水再生較慢，通常需數小時。多孔水凝膠可顯著提高吸水再生速度，但現有凍干、發泡、犧牲模板等多孔水凝膠制備方法難以與現有的水凝膠涂裝技術（如表面橋接、表面聚合、浸涂和噴涂等）匹配，如何在不規則設備表面原位大面積涂裝多孔水凝膠存在挑戰。
圖1：多孔水凝膠的合成過程及機理
圖2：多孔水凝膠的力學性能
圖3：多孔水凝膠的孔結構
之后，研究利用靜電噴涂方法實現了多孔水凝膠涂層的大面積制備。涂層的厚度可由電壓與氣流速度等條件進行控制。多孔涂層具有機械穩定性與較強的附著力，可穩定涂裝在木材、金屬、玻璃、塑料等不同材料表面，且任意復雜形狀的表面均能被均勻涂裝（圖4）。研究進一步在太陽能發電板等功率電子器件上形成多孔水凝膠涂層。這種涂層可快速且可重復的吸收噴淋水，并長效保持，從而利用更少的冷卻水實現更高效并持久的降溫效果以提高電子設備的工作效率（圖5）。
圖4：粉末噴涂過程和涂層粘附性
圖5：多孔水凝膠涂層的降溫效果
這種簡單高效的方法多孔涂層制備原理可以擴展至其他聚合物體系，以提高其他冷卻介質的使用效率。除熱管理之外，這種獨特的水凝膠涂裝方法有望在農業、環境、以及生物醫學等與水相關的場景中得以利用。
原文鏈接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00448-X
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