探索宇宙奧秘 · 理性思考

人們總以為小河里的落葉只會順流而下。這種直覺也長期主導(dǎo)著科學(xué)界：只要流速夠快，微小的化學(xué)差異便不足掛齒。

耶魯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的成果顛覆了這一假設(shè)。他們發(fā)現(xiàn)，即便在湍急的多孔介質(zhì)流動中，微弱的鹽度梯度仍能驅(qū)動膠體顆?？缭搅骶€。這項(xiàng)研究改寫了多孔介質(zhì)中顆粒傳輸?shù)幕緢D景。

長期以來，科學(xué)家認(rèn)為擴(kuò)散泳動效應(yīng)微不足道。這種由化學(xué)濃度梯度驅(qū)動的粒子遷移，其速度通常比多孔介質(zhì)中的背景流速慢幾個(gè)數(shù)量級。

因此，學(xué)界普遍假設(shè)：只要存在顯著流動，顆粒便只會"隨波逐流"，化學(xué)梯度的影響可以忽略。這一簡化假設(shè)支撐著從土壤污染治理到藥物輸送的大量工程模型。

這種直覺忽略了累積效應(yīng)的力量。耶魯團(tuán)隊(duì)指出，即便單次跨流線遷移的幅度極小，只要流動持續(xù)，這些微小的橫向位移便會不斷疊加。

顆?？赡芤虼岁J入高速流線而加速逃逸，也可能陷入低速區(qū)域而被長期滯留。宏觀傳輸效率由此發(fā)生質(zhì)變。

研究團(tuán)隊(duì)揭示了背后的物理機(jī)制。當(dāng)攜帶不同鹽濃度的溶液流經(jīng)多孔介質(zhì)時(shí)，化學(xué)梯度會產(chǎn)生垂直于流向的擴(kuò)散泳動力。這種力持續(xù)推動膠體顆?？缭搅黧w流線。

在微觀的迷宮式通道中，每一次跨線選擇都至關(guān)重要。進(jìn)入高速通道意味著更快的突破；落入低速死角則意味著延遲。

這些微觀偏差的統(tǒng)計(jì)累積，最終表現(xiàn)為宏觀尺度的傳輸異質(zhì)性。實(shí)驗(yàn)顯示，鹽度梯度能夠顯著拓寬或壓縮顆粒的羽流分布。

這一發(fā)現(xiàn)解釋了為何傳統(tǒng)基于純流體動力學(xué)的輸運(yùn)模型，往往難以準(zhǔn)確預(yù)測污染物在地下水中的遷移，或藥物載體在組織中的分布。

為了觀察這一隱秘過程，研究人員制造了透明的聚合物多孔介質(zhì)芯片。他們在微流控芯片上構(gòu)建了寬約100微米的迷宮通道，相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的直徑。

團(tuán)隊(duì)將微米級熒光膠體懸浮于鹽溶液中，并在恒定流速下引入不同濃度的第二股溶液。

通過高倍顯微鏡，科學(xué)家追蹤了單個(gè)顆粒的軌跡。數(shù)據(jù)顯示，即便背景流速很強(qiáng)，鹽度梯度仍持續(xù)驅(qū)動顆粒進(jìn)行跨流線遷移。

這些微小的側(cè)向位移并非隨機(jī)噪聲，而是具有明確方向性的系統(tǒng)行為。實(shí)驗(yàn)定量證實(shí)了理論預(yù)測：化學(xué)梯度與幾何結(jié)構(gòu)的耦合，共同決定了傳輸效率。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為多個(gè)領(lǐng)域提供了新的調(diào)控維度。在廢水處理中，工程師可通過調(diào)節(jié)鹽度梯度，控制顆粒的過濾效率或反沖洗效果。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，理解化肥離子梯度如何影響土壤膠體遷移，有助于優(yōu)化養(yǎng)分保持策略。在靶向給藥中，利用組織內(nèi)的化學(xué)微環(huán)境引導(dǎo)藥物載體，可提升遞送精度。

中國學(xué)者在該交叉領(lǐng)域已形成有力布局。中科院化學(xué)研究所、清華大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在膠體界面科學(xué)和微流控技術(shù)方面貢獻(xiàn)卓著。

近年來，國內(nèi)研究者在多孔介質(zhì)微流動、土壤膠體運(yùn)移機(jī)制等方面取得系列進(jìn)展。中國石油大學(xué)、西南石油大學(xué)在滲流力學(xué)領(lǐng)域的深厚積累，也為理解這類復(fù)雜流動提供了理論基礎(chǔ)。

面對土壤修復(fù)與水資源治理的重大需求，中國科學(xué)家正將這類微觀機(jī)制研究與宏觀環(huán)境工程相結(jié)合。

下一步，研究者需探索多離子環(huán)境下的復(fù)雜相互作用，并將芯片實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為可指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)規(guī)則。當(dāng)化學(xué)梯度成為可操控的"交通指揮員"，我們對地下水流、生物傳輸和工業(yè)過濾的駕馭能力將進(jìn)入新境界。

Mobin Alipour et al., "Diffusiophoretic transport of colloids in porous media," Science Advances, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.ady9874