Крошечные твёрдые частицы, такие как загрязнители, облачные капли и лекарственные порошки, образуют высококонцентрированные скопления в турбулентных условиях, например, в дымовых трубах, облаках и фармацевтических смесителях.
Что вызывает эти экстремальные скопления? Они усложняют прогнозирование распространения дыма от лесных пожаров и подбор правильной комбинации ингредиентов для более эффективных лекарств. Это озадачивало учёных.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, предполагает, что ответ кроется в электрических силах между частицами.
«Небольшие неравномерные электрические заряды между частицами в турбулентном воздушном потоке играют гораздо более важную роль, чем мы думали ранее», — говорит автор исследования Хуэй Мэн, доктор философии, заслуженный профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии Университета Буффало.
«Обнаружение этого скрытого механизма может привести к более точным прогнозам и контролю в исследованиях климата, медицине, инженерии и науке», — добавляет он.
Как проводилось исследование
Команда начала работу с идеи, что частицы обмениваются небольшими порциями электрического заряда при столкновении в турбулентном воздухе. Но вместо равномерного распределения заряды образуют неравномерные участки на поверхности каждой частицы — так называемый «мозаичный заряд».
Эти неравномерные заряды создают электрические диполи, которые притягивают друг друга, что приводит к большему количеству столкновений и зарядов.
«В конечном итоге это усиливает притяжение между частицами, создавая положительную обратную связь, которую мы назвали IMPACT (Inhomogeneous Mosaic Potential Amplified Collisions in Turbulence)», — говорит первый автор Даниэль Р. Джонсон, недавно защитившая докторскую диссертацию в Университете Буффало.
Чтобы проверить гипотезу, команда поместила полые стеклянные сферы (заменители твёрдых частиц) в камеру, где они контролировали турбулентные воздушные потоки. Затем исследователи использовали систему высокоскоростного трёхмерного отслеживания частиц с высоким разрешением, а также инструменты атомно-силовой микроскопии для измерения наномасштабных закономерностей заряда на частицах.
Они обнаружили, что стеклянные сферы действовали так, как предполагалось, с движениями, соответствующими движениям диполей. Хотя эксперимент проводился в контролируемых условиях, команда считает, что результаты можно применить ко многим реальным сценариям, где взаимодействие частиц имеет ключевое значение.
«Что действительно интересно в этом открытии, так это то, что оно проливает свет на ранее упускаемое из виду явление в турбулентности частиц и имеет широкие экологические, промышленные и социальные последствия», — говорит соавтор Джеймс Чен, доктор философии, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии.
Соавторами исследования также являются Адам Бокански, кандидат наук в области машиностроения и аэрокосмической инженерии Университета Буффало, и Эмили М. Диорио, студентка последнего курса, специализирующаяся в области электротехники.
Предоставлено: [University at Buffalo](https://phys.org/partners/university-at-buffalo/)