Ученые из Уорикского университета разработали новый метод, позволяющий с высокой точностью предсказывать, как микроскопические частицы неправильной формы перемещаются в воздухе. Эти наночастицы являются одним из основных видов загрязнителей и долгое время оставались сложной задачей для точного моделирования. Новый подход – первый в своем роде, сочетающий простоту и прогностическую силу, – дает возможность рассчитывать движение частиц без громоздких и неточных допущений.
Ежедневно мы вдыхаем миллионы таких микрочастиц: сажу, пыль, пыльцу, микропластик, вирусы и искусственно созданные наноматериалы. Некоторые из них настолько малы, что способны проникать глубоко в легкие и даже попадать в кровоток. Медицинские исследования связывают воздействие этих загрязнителей с риском серьезных заболеваний, включая болезни сердца, инсульты и рак.
Основная проблема заключалась в том, что большинство взвешенных в воздухе частиц не имеют гладкой или симметричной формы. Однако традиционные математические модели, как правило, рассматривали их как идеальные сферы, поскольку это значительно упрощало расчеты. Такое упрощение ограничивало способность ученых точно предсказывать поведение реальных частиц, особенно тех, что имеют сложную форму и могут представлять наибольшую угрозу для здоровья.
Теперь исследователям из Уорикского университета удалось создать первый простой метод, который предсказывает движение частиц практически любой формы. Работа, опубликованная в журнале «Journal of Fluid Mechanics Rapids», по сути, обновляет формулу столетней давности, устраняя серьезный пробел в аэрозольной науке. «Мотивация была проста: если мы сможем точно предсказывать движение частиц любой формы, мы значительно улучшим модели загрязнения воздуха, распространения болезней и даже химических процессов в атмосфере, – объясняет автор исследования, профессор Дункан Локерби. – Новый подход основан на очень старой, но мощной модели, что делает его применимым к сложным частицам неправильной формы».
Прорыв стал возможен благодаря свежему взгляду на один из фундаментальных инструментов аэрозольной науки – поправочный коэффициент Каннингема, впервые предложенный в 1910 году. В 1920–х годах лауреат Нобелевской премии Роберт Милликен усовершенствовал эту формулу, но в процессе работы более общая поправка была упущена из виду. Из–за этого последующие версии уравнения оставались применимыми только к идеальным сферам, что ограничивало их практическую пользу.
Работа профессора Локерби реструктурирует оригинальную идею Каннингема, придавая ей более широкую и гибкую форму. На этой обновленной основе он вводит так называемый «поправочный тензор» – математический инструмент, который учитывает силы сопротивления для частиц любой формы. «Эта работа – о возвращении к первоначальному духу труда Каннингема 1910 года, – добавляет Локерби. – Обобщив его поправочный коэффициент, мы теперь можем делать точные прогнозы для частиц почти любой формы без необходимости в ресурсоемких симуляциях».
Новая модель закладывает прочную основу для понимания движения взвешенных в воздухе частиц в самых разных научных областях. Этот подход может улучшить прогнозы распространения загрязнений в городах, перемещения дыма от лесных пожаров или вулканического пепла в атмосфере, а также поведения искусственных наночастиц в промышленных и медицинских целях.
Чтобы развить успех, Инженерная школа Уорикского университета инвестировала в новую современную систему генерации аэрозолей. Эта установка позволит исследователям создавать и детально изучать широкий спектр несферических частиц в контролируемых условиях, помогая проверить и усовершенствовать новый метод прогнозирования. Как отмечает профессор Джулиан Гарднер, «новая установка позволит нам исследовать, как ведут себя реальные частицы в контролируемых условиях, помогая превратить этот теоретический прорыв в практические инструменты для защиты окружающей среды».
