Воздух под микроскопом: решена загадка, которая мешала учёным предсказывать загрязнение целый век

Учёные из Университета Уорвика (Великобритания) сделали значительный шаг в понимании того, как ведут себя наночастицы неправильной формы, находящиеся в воздухе. Их исследование, опубликованное в журнале Journal of Fluid Mechanics, впервые предлагает простой и точный способ прогнозирования движения частиц любой формы — от сажи и микропластика до вирусов.

Новая модель для старой загадки

Каждый человек ежедневно вдыхает миллионы микроскопических частиц: пыль, дым, пыльцу, микропластик и вирусы. Многие из них способны проникать в лёгкие и даже попадать в кровь, повышая риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, инсульта и рака. Но существующие научные модели на протяжении десятилетий описывали частицы как идеальные сферы — ради удобства расчётов. Такое упрощение делало невозможным точное предсказание поведения реальных, неровных частиц, которые чаще всего представляют наибольшую опасность.

Команда под руководством профессора Дункана Локерби из Инженерной школы Университета Уорвика предложила решение, основанное на переосмыслении классической формулы, которой более ста лет. Исследователи восстановили утраченную часть математического аппарата, позволившую учесть аэродинамические свойства частиц любой формы.

"Если мы можем точно предсказать, как движутся частицы произвольной формы, то сможем значительно улучшить модели загрязнения воздуха, передачи заболеваний и даже атмосферной химии", — объясняет профессор Локерби.

Подобные исследования помогают глубже понять вклад антропогенных факторов в загрязнение, например, масштаб выбросов микропластика в окружающую среду, которые ранее сильно недооценивались.

Возвращение к идеям начала XX века

Ключом к открытию стал коэффициент Каннингема — поправочный фактор, введённый ещё в 1910 году для объяснения поведения частиц, слишком малых, чтобы подчиняться классическим законам гидродинамики. Позже, в 1920-х годах, Нобелевский лауреат Роберт Милликан модифицировал формулу, но его версия сузила применение модели исключительно к сферическим объектам.

Профессор Локерби и его коллеги "реабилитировали" оригинальную концепцию, превратив поправочный коэффициент в корректирующий тензор — универсальный математический инструмент, учитывающий все силы, действующие на частицы любой формы: вытянутые, плоские, неровные или асимметричные. Это позволило отказаться от множества эмпирических приближений и сделать расчёты значительно точнее.

"Мы вернули в науку дух работы Каннингема — простоту и универсальность. Теперь можно моделировать движение даже самых сложных частиц без громоздких вычислений", — отметил Локерби.

Влияние на экологию, медицину и технологии

Новая модель открывает возможности для более точного прогнозирования распространения загрязнений и аэрозолей. Она поможет понять, как движется смог в мегаполисах, распространяется дым от лесных пожаров или пепел вулканов, а также как ведут себя микрочастицы в промышленных и медицинских условиях.

Этот подход может дополнить наблюдения о том, как экстремальные погодные явления и климатические колебания усиливают перенос загрязнителей в атмосфере, создавая новые экологические риски.

"Эта работа создаёт основу для более реалистичных моделей движения аэрозолей — от экологии до наномедицины", — подчеркнул профессор Джулиан Гарднер, соавтор проекта.

Технологическая база для будущих открытий

Для дальнейших исследований Университет Уорвика инвестировал в создание передовой установки для производства аэрозолей, которая позволяет генерировать и изучать частицы нестандартной формы в контролируемых условиях. Это даст возможность проверить теоретические модели в эксперименте и превратить математические формулы в реальные инструменты для оценки качества воздуха и прогнозирования рисков.

Таким образом, работа британских исследователей не только решает вековую проблему аэродинамики наночастиц, но и открывает путь к новым технологиям мониторинга и защиты здоровья человека.