蒸汽滴状冷凝广泛应用于工业领域和高新技术中，为了提高冷凝换热效率，实际冷凝表面上分布着各种各样的拓扑结构。然而，在大过冷度条件下，蒸汽分子一旦在结构内部成核，聚并长大，将淹没微结构表面，使表面超疏水效应失效，大幅地降低换热性能。在这种情况下，如何借助电场来操控冷凝液滴，促使其从结构内部尽快脱离，降低冷凝液滴自弹跳的尺寸还有待进一步揭示。此外，施加电场后，电场强度和方向对冷凝液滴生长机制的影响仍不清晰，并且电场施加的频率还可能影响蒸汽异相成核的时间，进而影响后续生长过程。

为了解决上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心王绍宇同学作为第一作者，王子杰同学作为第二作者，王丹琪同学作为第三作者，杨燕茹老师作为第四作者，王晓东教授和香港城市大学李笃中教授作为通讯作者，在物理化学领域国际期刊Langmuir上发表了电场作用下冷凝液滴生长动力学特性为主题的论文，论文题目为“Electrically manipulated vapor condensation on the dimpled surface: Insights from molecular dynamics simulations”。该项工作主要研究了电场对冷凝液滴生长模式和湿润状态影响的微观机理，在此基础上尝试为强化传热提供新的思路。

【论文概述】

通过MD模拟方法研究了电场作用下蒸汽在纳米结构表面上的冷凝过程，揭示了电场强度和方向对冷凝液滴生长模式影响的微观机理，分析了电场强度和频率对冷凝液滴湿润状态的影响机制，提出了借助水平电场促使冷凝液滴脱离的新思路。

图1. （a）冷凝量随时间的变化曲线和（b）水分子中偶极子偏转角分布情况

发现偶极子的偏转效应是电场作用下冷凝液滴生长模式改变的微观机理。当施加竖直电场时，随着电场强度的增加，水分子将更容易向电场方向发生偏转，削弱了低温凹坑表面对水分子的吸引力，导致冷凝液滴在除竖直方向以外的其他方向上生长受到限制。当E=1´109 V/m，观察到冷凝液滴呈现柱状结构，最大冷凝水分子数Nmax比无电场作用下的冷凝量减少了26%。此外，施加竖直电场无法促使冷凝液滴从结构表面脱离。

图2. 电场促使结构内部液滴脱离

对于水平电场，增加电场强度会增大水分子和凹坑表面之间的接触面积，有利于热质传递，并展示出良好的冷凝性能。冷凝液滴发生湿润转变的临界电场强度在E=5.2´108~5.5´108 V/m范围内。当E>6´108 V/m时，继续增大电场强度，观察到的最大冷凝分子数Nmax几乎相同。然而，冷凝液滴越早脱离结构内部，冷凝换热量越大。此外，当用V型纳米结构表面作为冷凝表面时，借助水平电场同样能够促使结构内部生成的冷凝液滴快速脱离。据此，提出了采用周期性水平电场加速核化液滴从结构内部脱离的新思路。

论文得到了国家自然科学基金（51936004）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）和中央高校基础科研项目（2020MS063）资助。