Исследователь из Университета Уорика разработал новый метод, который позволяет просто предсказывать движение наночастиц неправильной формы — опасного класса загрязнителей воздуха.
Каждый день мы вдыхаем миллионы микроскопических частиц, включая сажу, пыль, пыльцу, микропластик, вирусы и синтетические наночастицы. Некоторые из них настолько малы, что проникают глубоко в лёгкие и даже попадают в кровоток, способствуя развитию таких заболеваний, как болезни сердца, инсульт и рак.
Большинство этих частиц в воздухе имеют неправильную форму. Однако математические модели, используемые для прогнозирования поведения этих частиц, обычно предполагают, что они имеют форму идеальных сфер — просто потому, что уравнения для них проще решать. Это затрудняет мониторинг или прогнозирование движения реальных, не сферических — и зачастую более опасных — частиц.
Теперь исследователь из Университета Уорика разработал первый простой метод для прогнозирования движения частиц неправильной формы любой формы. Исследование, опубликованное в Journal of Fluid Mechanics, переработало столетнюю формулу, чтобы устранить ключевой пробел в науке об аэрозолях.
Автор статьи, профессор Дункан Локкерби из Школы инженерии Университета Уорика, сказал: «Мотивация была проста: если мы сможем точно предсказать, как движутся частицы любой формы, мы сможем значительно улучшить модели загрязнения воздуха, передачи заболеваний и даже химического состава атмосферы. Этот новый подход основан на очень старой модели — простой, но мощной — и делает её применимой к сложным частицам неправильной формы».
Прорыв в науке
Прорыв стал возможен благодаря пересмотру одного из краеугольных камней науки об аэрозолях: поправочного коэффициента Каннингема. Разработанный в 1910 году, этот коэффициент был предназначен для прогнозирования того, как сопротивление крошечных частиц отклоняется от классических законов жидкости.
В 1920-х годах лауреат Нобелевской премии Роберт Милликен усовершенствовал формулу, но при этом упустил более простую и общую коррекцию. В результате современная версия оставалась ограниченной идеально сферическими частицами.
Новая работа профессора Локкерби переформулирует оригинальную идею Каннингема в более общую и элегантную форму. На этой основе он вводит «коррекционный тензор» — математический инструмент, который учитывает весь диапазон сил сопротивления, действующих на частицы любой формы, от сфер до тонких дисков, без необходимости использования эмпирических параметров подгонки.
Профессор Дункан Локкерби добавил: «Эта статья — о том, чтобы вернуть первоначальный дух работы Каннингема 1910 года. Обобщая его поправочный коэффициент, мы теперь можем делать точные прогнозы для частиц практически любой формы — без необходимости интенсивного моделирования или эмпирической подгонки».
«Она обеспечивает первую основу для точного прогнозирования того, как частицы неправильной формы перемещаются по воздуху, и, поскольку эти наночастицы тесно связаны с загрязнением воздуха и риском развития рака, это важный шаг вперёд как для охраны окружающей среды, так и для науки об аэрозолях».
Новая модель обеспечивает более прочную основу для понимания того, как движутся частицы в воздухе — в таких областях, как качество воздуха и климатическое моделирование, нанотехнологии и медицина. Она может помочь исследователям лучше прогнозировать распространение загрязнителей по городам, перемещение вулканического пепла или дыма от лесных пожаров, а также поведение инженерных наночастиц в системах производства и доставки лекарств.
Чтобы развить этот прорыв, Школа инженерии Университета Уорика инвестировала в новую современную систему генерации аэрозолей. Этот комплекс позволит исследователям генерировать и точно изучать более широкий спектр реальных частиц неправильной формы, дополнительно подтверждая и расширяя новый метод.
Профессор Джулиан Гарднер из Школы инженерии Университета Уорика, сотрудничающий с профессором Локкерби, сказал: «Этот новый комплекс позволит нам изучить, как ведут себя реальные частицы в воздухе в контролируемых условиях, помогая воплотить этот теоретический прорыв в практические инструменты для охраны окружающей среды».
Предоставлено Университетом Уорика.