你有沒有發現，當我們攪拌一杯茶時，茶葉會聚集在杯子中心的現象。你可能會認為，攪拌會使茶葉均勻地分散在液體中，但實際上，由于攪拌產生的次級流效應，茶葉會被推向杯子底部的中心區域，形成一個“甜甜圈”狀。這就是愛因斯坦的茶葉悖論，它描述了一個奇妙的流體現象：在旋轉的液體中，較重的顆粒會被推向中心而不是外緣。這個現象對于收集微米級的顆粒很有用，但是對于納米級的顆粒呢？它們是否也會受到茶葉悖論的影響？

最近，同濟大學的研究人員在《科學進展》雜志上發表了一篇論文，他們利用茶葉悖論來研究納米流體，并且實現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電性，可以用于催化、吸附、電化學、生物兼容性設備、傳感器等多個領域。

茶葉悖論在納米流體中的表現

為了觀察茶葉悖論在納米流體中的表現，研究人員首先用數值模擬來追蹤不同大小的納米顆粒在旋轉液體中的運動軌跡。他們發現，在液體表面和底部，存在一個層流效應，即液體沿著圓周方向以不同的速度移動。這個速度差會導致納米顆粒在層流內部發生局部聚集，形成一個類似于圓環的分布。這個效應與茶葉悖論類似，但是更加微觀和復雜。

為了驗證模擬結果，研究人員使用二氧化硅納米顆粒制備了納米流體，并將其倒入一個圓柱形容器中。然后，他們用一個磁力攪拌器來旋轉容器底部的磁鐵，從而驅動液體旋轉。通過灰度分析技術，他們可以量化納米流體中納米顆粒的分布情況。他們發現，在攪拌過程中，納米顆粒確實出現了局部聚集的現象，與模擬結果一致。而且，在停止攪拌后，這種聚集效應會逐漸消失，說明它是由層流效應引起的。

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，研究人員設計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圓柱形容器中，并用磁力攪拌器來旋轉容器底部的磁鐵。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，金納米顆粒會在層流內部快速聚集，形成一個金的凝膠。最后，他們將金凝膠冷凍干燥，得到干的金凝膠。

研究人員發現，通過調節溶液的溫度，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晶性，沒有雜質和氧化物的存在。他們還測試了金凝膠在光催化和表面增強拉曼散射方面的性能，發現它們表現出了優異的活性和靈敏度。

總結

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制，還實現了一種快速、簡單、低成本的制造金凝膠的方法。這種方法為開發新型多孔金屬材料提供了一個新思路，也為理解流體動力學中的復雜現象提供了一個新視角。