强流也拦不住！科学家发现化学梯度可驱动颗粒跨流线迁移

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人们总以为小河里的落叶只会顺流而下。这种直觉也长期主导着科学界：只要流速够快，微小的化学差异便不足挂齿。

耶鲁大学研究团队最新发表于《科学进展》的成果颠覆了这一假设。他们发现，即便在湍急的多孔介质流动中，微弱的盐度梯度仍能驱动胶体颗粒跨越流线。这项研究改写了多孔介质中颗粒传输的基本图景。

长期以来，科学家认为扩散泳动效应微不足道。这种由化学浓度梯度驱动的粒子迁移，其速度通常比多孔介质中的背景流速慢几个数量级。

因此，学界普遍假设：只要存在显著流动，颗粒便只会"随波逐流"，化学梯度的影响可以忽略。这一简化假设支撑着从土壤污染治理到药物输送的大量工程模型。

这种直觉忽略了累积效应的力量。耶鲁团队指出，即便单次跨流线迁移的幅度极小，只要流动持续，这些微小的横向位移便会不断叠加。

颗粒可能因此闯入高速流线而加速逃逸，也可能陷入低速区域而被长期滞留。宏观传输效率由此发生质变。

研究团队揭示了背后的物理机制。当携带不同盐浓度的溶液流经多孔介质时，化学梯度会产生垂直于流向的扩散泳动力。这种力持续推动胶体颗粒跨越流体流线。

在微观的迷宫式通道中，每一次跨线选择都至关重要。进入高速通道意味着更快的突破；落入低速死角则意味着延迟。

这些微观偏差的统计累积，最终表现为宏观尺度的传输异质性。实验显示，盐度梯度能够显著拓宽或压缩颗粒的羽流分布。

这一发现解释了为何传统基于纯流体动力学的输运模型，往往难以准确预测污染物在地下水中的迁移，或药物载体在组织中的分布。

为了观察这一隐秘过程，研究人员制造了透明的聚合物多孔介质芯片。他们在微流控芯片上构建了宽约100微米的迷宫通道，相当于人类头发丝的直径。

团队将微米级荧光胶体悬浮于盐溶液中，并在恒定流速下引入不同浓度的第二股溶液。

通过高倍显微镜，科学家追踪了单个颗粒的轨迹。数据显示，即便背景流速很强，盐度梯度仍持续驱动颗粒进行跨流线迁移。

这些微小的侧向位移并非随机噪声，而是具有明确方向性的系统行为。实验定量证实了理论预测：化学梯度与几何结构的耦合，共同决定了传输效率。

这项发现为多个领域提供了新的调控维度。在废水处理中，工程师可通过调节盐度梯度，控制颗粒的过滤效率或反冲洗效果。

在农业领域，理解化肥离子梯度如何影响土壤胶体迁移，有助于优化养分保持策略。在靶向给药中，利用组织内的化学微环境引导药物载体，可提升递送精度。

中国学者在该交叉领域已形成有力布局。中科院化学研究所、清华大学等团队在胶体界面科学和微流控技术方面贡献卓著。

近年来，国内研究者在多孔介质微流动、土壤胶体运移机制等方面取得系列进展。中国石油大学、西南石油大学在渗流力学领域的深厚积累，也为理解这类复杂流动提供了理论基础。

面对土壤修复与水资源治理的重大需求，中国科学家正将这类微观机制研究与宏观环境工程相结合。

下一步，研究者需探索多离子环境下的复杂相互作用，并将芯片实验转化为可指导实际工程的设计规则。当化学梯度成为可操控的"交通指挥员"，我们对地下水流、生物传输和工业过滤的驾驭能力将进入新境界。

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