近日，物理科学与工程学院气凝胶课题组杜艾教授和周斌教授团队以同济大学为第一单位在国际著名综合类期刊《科学进展》（Science Advances）上发表研究性论文“Einstein’s tea leaf paradox induced localized aggregation of nanoparticles and their conversion to gold aerogels”（爱因斯坦茶叶悖论诱导的纳米粒子局域凝聚及其向金气凝胶的转变），并被英国Physics World的特约编辑Isabelle Dumé采访，以“Einstein’s tea leaf paradox could help make aerogels”（爱因斯坦茶叶悖论可以帮助制备气凝胶）为题在网站头条报道。这是首次以同济大学为唯一通讯单位的论文在Physics World上被专题报道。

通常认知下，搅拌就意味着分散，但是爱因斯坦茶叶悖论效应却揭示了固液混合系统的复杂性。流体中的固态物质会在搅拌引起的二次流作用下聚集在“甜甜圈”状环形区域中，并在停止搅拌后聚集在杯中心。该工作尝试将该效应拓展到纳米流体中，采用模拟研究了搅拌条件下纳米粒子伴随流体流速的运动规律，并通过对搅拌条件下SiO₂纳米颗粒分散液的激光散射实验及散射光灰度值分析，验证了纳米流体中的“茶叶悖论”效应。该研究还发现在纳米流体中除二次流引起的粒子聚集以外，还存在搅拌器驱动所导致的粒子浓度升高以及剪切作用引起的层流间纳米粒子局域聚集现象。搅拌作用下多种纳米粒子聚集效应非常适用于促进金属纳米粒子间的自组装交联，从而加速凝胶化过程。

图1、纳米流体中的粒子局域化聚集效应

基于上述研究，该工作采用简单地持续搅拌策略即可快速制备出高纯度的单质金气凝胶和其他金属气凝胶。相比通常静置沉降凝聚所需的约1周时间，爱因斯坦茶叶悖论引起的局域化凝聚可以将凝胶化时间缩短到20分钟左右。该工作还发现加热可以导致前驱体氯金酸溶液性质发生可逆变化，使得气凝胶的骨架尺寸可在10-200nm的范围内调控。所得的金气凝胶具有良好的光催化降解与表面拉曼增强性能，在环境处理和生命科学领域有潜在应用。

图2、氯金酸溶液随温度变化的可逆改性以及不同尺寸骨架金气凝胶的照片与微结构

物理科学与工程学院博士生张泽辉为论文第一作者，杜艾教授和周斌教授为共同通讯作者，沈军教授、张志华副教授以及中南大学贾明涛教授也对本文作出重要贡献。该研究获得国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接为：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adi9108

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Physics World采访报道：https://physicsworld.com/a/einsteins-tea-leaf-paradox-could-help-make-aerogels/