将喝剩下的茶叶水一次性倾倒而出，往往会发现总有茶叶存留在杯壁内，为此不得不再用杯子一次或多次接入自来水，直至将杯中茶叶完全清除干净。如何用物理学原理破解这一现实问题？同济大学物理科学与工程学院杜艾教授想到了爱因斯坦茶叶悖论，他通过旋转手中的茶杯，然后快速倾倒杯身，茶叶和水被同时倒出，发现杯内无一片茶叶残留。

近日，国际著名综合类期刊《科学进展》（Science Advances）以“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”为题，在线发表了同济大学气凝胶课题组的研究性论文。这一学术成果的产生，正是源于倒茶叶水带来的启发。

人们通常认为，搅拌就意味着分散。诞生于百年前的著名的爱因斯坦茶叶悖论告诉我们，搅动杯子里的茶叶，茶叶并非向杯子两侧散开，而是在搅拌引起的二次流作用下，聚集在如同“甜甜圈”状的环形区域中，并在搅拌停止后聚集在杯子中心。人们大多对纯流体和携带大尺寸颗粒流体的二次流作用比较了解，但对于纳米粒子在流体中具有什么样的效应，至今还鲜有文献提及。

杜艾教授和周斌教授的博士生张泽辉开展高纯度金气凝胶的研究，在导师的提示下，他尝试将“茶叶悖论”效应拓展到纳米流体中。他模拟研究了在搅拌条件下纳米粒子伴随流体流速的运动规律，并对搅拌条件下SiO2纳米颗粒分散液进行了激光散射实验和散射光灰度值分析。该研究不仅验证了纳米流体中也存在“茶叶悖论”效应，还发现存在搅拌器驱动所导致的局域纳米粒子浓度升高、层流间纳米粒子局域聚集的现象。“纳米流体中的这种局部区域凝聚效应，非常适合用于促进低浓度胶体中粒子或分子的快速集聚。”杜艾说。

基于上述研究发现，研究团队采用简单持续的搅拌策略，便实现了高纯度的单质金气凝胶和其他金属气凝胶的快速制备。搅拌作用下多重的纳米粒子聚集效应，提高了纳米粒子在液体局部空间中的浓度，大大促进了纳米粒子间的自组装交联，从而加速了金属纳米粒子凝胶化的过程。

“如果采用常规的静置沉降法制备金属气凝胶，凝胶化的过程往往需要大约1周时间。现在仅通过加以搅拌，就可将凝胶化的时间缩短到20分钟左右，效果非常惊人。”杜艾介绍道。

研究还发现，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的范围内可调控。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，未来在环境处理和生命科学领域具有潜在的应用前景。

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。

新民晚报记者 张炯强

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