你有沒有發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們攪拌一杯茶時(shí)，茶葉會(huì)聚集在杯子中心的現(xiàn)象。你可能會(huì)認(rèn)為，攪拌會(huì)使茶葉均勻地分散在液體中，但實(shí)際上，由于攪拌產(chǎn)生的次級(jí)流效應(yīng)，茶葉會(huì)被推向杯子底部的中心區(qū)域，形成一個(gè)“甜甜圈”狀。這就是愛因斯坦的茶葉悖論，它描述了一個(gè)奇妙的流體現(xiàn)象：在旋轉(zhuǎn)的液體中，較重的顆粒會(huì)被推向中心而不是外緣。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)于收集微米級(jí)的顆粒很有用，但是對(duì)于納米級(jí)的顆粒呢？它們是否也會(huì)受到茶葉悖論的影響？

最近，同濟(jì)大學(xué)的研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了一篇論文，他們利用茶葉悖論來研究納米流體，并且實(shí)現(xiàn)了一種快速制造金凝膠的方法。金凝膠是一種由金納米顆粒組成的多孔材料，具有極高的比表面積和導(dǎo)電性，可以用于催化、吸附、電化學(xué)、生物兼容性設(shè)備、傳感器等多個(gè)領(lǐng)域。

茶葉悖論在納米流體中的表現(xiàn)

為了觀察茶葉悖論在納米流體中的表現(xiàn)，研究人員首先用數(shù)值模擬來追蹤不同大小的納米顆粒在旋轉(zhuǎn)液體中的運(yùn)動(dòng)軌跡。他們發(fā)現(xiàn)，在液體表面和底部，存在一個(gè)層流效應(yīng)，即液體沿著圓周方向以不同的速度移動(dòng)。這個(gè)速度差會(huì)導(dǎo)致納米顆粒在層流內(nèi)部發(fā)生局部聚集，形成一個(gè)類似于圓環(huán)的分布。這個(gè)效應(yīng)與茶葉悖論類似，但是更加微觀和復(fù)雜。

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，研究人員使用二氧化硅納米顆粒制備了納米流體，并將其倒入一個(gè)圓柱形容器中。然后，他們用一個(gè)磁力攪拌器來旋轉(zhuǎn)容器底部的磁鐵，從而驅(qū)動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)。通過灰度分析技術(shù)，他們可以量化納米流體中納米顆粒的分布情況。他們發(fā)現(xiàn)，在攪拌過程中，納米顆粒確實(shí)出現(xiàn)了局部聚集的現(xiàn)象，與模擬結(jié)果一致。而且，在停止攪拌后，這種聚集效應(yīng)會(huì)逐漸消失，說明它是由層流效應(yīng)引起的。

用茶葉悖論制造金凝膠

利用茶葉悖論引起的局部聚集效應(yīng)，研究人員設(shè)計(jì)了一種快速制造金凝膠的方法。他們首先將氯金酸溶液倒入一個(gè)圓柱形容器中，并用磁力攪拌器來旋轉(zhuǎn)容器底部的磁鐵。然后，他們向溶液中滴加還原劑，如檸檬酸鈉或硼氫化鈉，來還原氯金酸，生成金納米顆粒。由于茶葉悖論的作用，金納米顆粒會(huì)在層流內(nèi)部快速聚集，形成一個(gè)金的凝膠。最后，他們將金凝膠冷凍干燥，得到干的金凝膠。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)溶液的溫度，可以控制金凝膠的骨架尺寸，從10 nm到200 nm不等。而且，金凝膠具有極高的純度和結(jié)晶性，沒有雜質(zhì)和氧化物的存在。他們還測(cè)試了金凝膠在光催化和表面增強(qiáng)拉曼散射方面的性能，發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)出了優(yōu)異的活性和靈敏度。

總結(jié)

這篇論文展示了一種利用茶葉悖論來研究和制造納米材料的新方法。它不僅揭示了茶葉悖論在納米流體中的微觀機(jī)制，還實(shí)現(xiàn)了一種快速、簡(jiǎn)單、低成本的制造金凝膠的方法。這種方法為開發(fā)新型多孔金屬材料提供了一個(gè)新思路，也為理解流體動(dòng)力學(xué)中的復(fù)雜現(xiàn)象提供了一個(gè)新視角。