華威大學的研究人員開發了一種新方法，可以預測形狀不規則的納米顆粒如何在空氣中移動。這些顆粒物是空氣污染的重要類別，長期以來一直難以準確建模。這種新方法是第一個簡單且具有預測性的方法，使科學家能夠計算粒子運動，而無需依賴過於復雜的假設。
每天，人們吸入數百萬個微觀顆粒，包括煙灰、灰塵、花粉、微塑料、病毒和工程納米顆粒。其中一些顆粒非常小，可以深入肺部並進入血液。暴露與嚴重的健康問題有關，包括心髒病、中風和癌症。
大多數空氣中的顆粒不具有光滑或對稱的形狀。然而，傳統的數學模型通常假設這些粒子是完美的球體，因為球形形狀更容易求解方程。這種簡化限制了科學家準確追踪現實世界粒子行為的能力，特別是那些形狀不規則、可能造成更大健康風險的粒子。
復興現代科學的百年方程式
華威大學的一位研究人員提出了第一種直接方法，可以預測幾乎任何形狀的顆粒如何在空氣中移動。研究發表於 流體力學急流雜誌它更新了已有 100 多年曆史的公式，填補了氣溶膠科學的一個重大空白。
該論文的作者、華威大學工程學院的鄧肯·洛克比教授表示：“動機很簡單：如果我們能夠準確預測任何形狀的顆粒如何移動，我們就可以顯著改進空氣污染、疾病傳播甚至大氣化學的模型。這種新方法建立在一個非常古老的模型之上，該模型簡單但功能強大，適用於復雜和不規則的顆粒。”
解決氣溶膠物理學中的一個關鍵疏忽
這一突破歸功於對氣溶膠科學基本工具之一的新認識，即坎寧安校正因子。修正因子於 1910 年首次引入，旨在解釋小顆粒上的阻力與經典流體行為有何不同。
20 年代，諾貝爾獎獲得者羅伯特·密立根 (Robert Millikan) 改進了該公式。在此過程中，一項更簡單、更籠統的修正案被放棄。因此，後來版本的方程僅限於完美球形的粒子，限制了它們在現實條件下的有用性。
洛克比教授的著作以更廣泛、更靈活的形式重塑了坎寧安最初的想法。從這個修改後的框架中，他引入了“校正張量”，這是一種數學工具，可以解釋任何形狀的粒子（包括球體和薄盤）施加的阻力和阻力。值得注意的是，該方法不是基於經驗擬合參數。
鄧肯·洛克比教授補充道：“這個節目是為了重新捕捉坎寧安 1910 年以來工作的原始精神。通過推廣他的修正因子，我們現在可以對幾乎任何形狀的粒子做出準確的預測，而無需進行密集的模擬或經驗擬合。
“它為精確預測非球形顆粒如何在空氣中傳播提供了第一個框架，並且由於這些納米顆粒與空氣污染和癌症風險密切相關，這對於環境健康和氣溶膠科學來說都是向前邁出的重要一步。”
這對污染、氣候和健康研究意味著什麼
新模型為理解空氣中的顆粒如何在廣泛的科學領域移動提供了更堅實的基礎。其中包括空氣質量監測、氣候建模、納米技術和醫學。這種方法可以預測污染如何在城市中傳播、森林煙霧或火山灰如何在大氣中傳播，以及工程納米顆粒在工業和醫療應用中的表現如何。
為了擴大這項工作，華威大學工程學院投資了一套最先進的新型氣溶膠生成系統。該設施將使研究人員能夠在受控條件下創建並仔細研究大量非球形粒子，從而有助於驗證和改進新的預測方法。
華威大學工程學院的朱利安·加德納教授與洛克比教授合作，他說：“這個新設施將使我們能夠研究現實世界空氣中顆粒在受控條件下的行為，有助於將這一理論進展轉化為實際的環境工具。”
