用爱因斯坦的茶叶悖论制造金凝胶，同济大学制备纳米材料的新方法

你有没有发现，当我们搅拌一杯茶时，茶叶会聚集在杯子中心的现象。你可能会认为，搅拌会使茶叶均匀地分散在液体中，但实际上，由于搅拌产生的次级流效应，茶叶会被推向杯子底部的中心区域，形成一个“甜甜圈”状。这就是爱因斯坦的茶叶悖论，它描述了一个奇妙的流体现象：在旋转的液体中，较重的颗粒会被推向中心而不是外缘。这个现象对于收集微米级的颗粒很有用，但是对于纳米级的颗粒呢？它们是否也会受到茶叶悖论的影响？

最近，同济大学的研究人员在《科学进展》杂志上发表了一篇论文，他们利用茶叶悖论来研究纳米流体，并且实现了一种快速制造金凝胶的方法。金凝胶是一种由金纳米颗粒组成的多孔材料，具有极高的比表面积和导电性，可以用于催化、吸附、电化学、生物兼容性设备、传感器等多个领域。

茶叶悖论在纳米流体中的表现

为了观察茶叶悖论在纳米流体中的表现，研究人员首先用数值模拟来追踪不同大小的纳米颗粒在旋转液体中的运动轨迹。他们发现，在液体表面和底部，存在一个层流效应，即液体沿着圆周方向以不同的速度移动。这个速度差会导致纳米颗粒在层流内部发生局部聚集，形成一个类似于圆环的分布。这个效应与茶叶悖论类似，但是更加微观和复杂。

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为了验证模拟结果，研究人员使用二氧化硅纳米颗粒制备了纳米流体，并将其倒入一个圆柱形容器中。然后，他们用一个磁力搅拌器来旋转容器底部的磁铁，从而驱动液体旋转。通过灰度分析技术，他们可以量化纳米流体中纳米颗粒的分布情况。他们发现，在搅拌过程中，纳米颗粒确实出现了局部聚集的现象，与模拟结果一致。而且，在停止搅拌后，这种聚集效应会逐渐消失，说明它是由层流效应引起的。

用茶叶悖论制造金凝胶

利用茶叶悖论引起的局部聚集效应，研究人员设计了一种快速制造金凝胶的方法。他们首先将氯金酸溶液倒入一个圆柱形容器中，并用磁力搅拌器来旋转容器底部的磁铁。然后，他们向溶液中滴加还原剂，如柠檬酸钠或硼氢化钠，来还原氯金酸，生成金纳米颗粒。由于茶叶悖论的作用，金纳米颗粒会在层流内部快速聚集，形成一个金的凝胶。最后，他们将金凝胶冷冻干燥，得到干的金凝胶。

研究人员发现，通过调节溶液的温度，可以控制金凝胶的骨架尺寸，从10 nm到200 nm不等。而且，金凝胶具有极高的纯度和结晶性，没有杂质和氧化物的存在。他们还测试了金凝胶在光催化和表面增强拉曼散射方面的性能，发现它们表现出了优异的活性和灵敏度。

总结

这篇论文展示了一种利用茶叶悖论来研究和制造纳米材料的新方法。它不仅揭示了茶叶悖论在纳米流体中的微观机制，还实现了一种快速、简单、低成本的制造金凝胶的方法。这种方法为开发新型多孔金属材料提供了一个新思路，也为理解流体动力学中的复杂现象提供了一个新视角。