Учёный из Великобритании усовершенствовал вековую формулу и научился предсказывать поведение опасных наночастиц в воздухе

Исследователь из Университета Уорика (Великобритания) предложил новый способ рассчитать, как движутся в атмосфере нано- и микрочастицы неправильной формы — один из самых опасных видов загрязнителей воздуха. Его метод впервые позволяет точно описывать поведение реальных, а не идеализированных частиц, не прибегая к сложным симуляциям.

Проблема старых моделей

Каждый день человек вдыхает миллионы микроскопических частиц — сажу, пыль, пыльцу, микропластик, вирусы, синтетические наночастицы. Многие из них проникают глубоко в лёгкие и даже попадают в кровь, способствуя развитию сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний.

Однако большинство существующих математических моделей, описывающих движение частиц в воздухе, предполагают, что эти частицы имеют идеальную форму сферы. Это упрощает расчёты, но делает их мало применимыми к реальности, где аэрозоли бывают вытянутыми, сплюснутыми, иглообразными или вовсе хаотичными по форме. В результате прогнозы загрязнения и распространения токсичных частиц оказываются неточными.

Возвращение к истокам

Профессор Дункан Локерби из инженерной школы Университета Уорика решил переосмыслить одну из классических формул аэрозольной физики — так называемый коэффициент поправки Каннингема, разработанный ещё в 1910 году. Этот коэффициент описывает, как изменяется сила сопротивления воздуха для крошечных частиц по сравнению с макрообъектами.

В 1920-х годах Нобелевский лауреат Роберт Милликан уточнил формулу, но в ходе своей работы сузил её применимость: модель стала точной лишь для идеально круглых частиц. На долгие десятилетия учёные вынуждены были пользоваться упрощённой версией, не подходящей для большинства загрязнителей.

Локерби восстановил первоначальную идею Каннингема и представил её в более общей и элегантной математической форме. Он добавил так называемый тензор коррекции — универсальный инструмент, который описывает сопротивление воздуха для частиц любой геометрии — от шариков до дисков и волокон — без необходимости подгонять параметры вручную.

Новый взгляд на движение аэрозолей

Результаты исследования, опубликованные в Journal of Fluid Mechanics, открывают путь к созданию более точных моделей атмосферных процессов. Теперь можно предсказывать, как движутся частицы любой формы — не только в контексте загрязнения воздуха, но и при распространении болезней, в климатических моделях, при разработке наноматериалов и лекарственных аэрозолей.

«Если мы сможем точно предсказывать движение частиц любой формы, то сможем лучше понимать загрязнение атмосферы, механизмы передачи заболеваний и даже химические процессы в воздухе, — объясняет профессор Локерби. — Эта работа возвращает дух оригинального исследования Каннингема, но делает его универсальным для XXI века».

Практическое значение

Чтобы развить успех, Университет Уорика инвестировал в создание передовой лаборатории генерации аэрозолей. Новое оборудование позволит получать и изучать в контролируемых условиях частицы различной формы — от промышленных микропластиков до наночастиц металлов. Это даст возможность подтвердить достоверность новой модели и превратить теоретический прорыв в прикладной инструмент для мониторинга загрязнения.

Профессор Джулиан Гарднер, коллега Локерби, отметил:

«Мы сможем наблюдать, как реальные частицы ведут себя в воздухе, а не в уравнениях. Это поможет превратить теорию в практические средства контроля качества воздуха и защиты здоровья людей».

Шаг к чище́му будущему

Новая формула не просто уточняет старую физическую модель — она открывает путь к созданию более точных систем прогнозирования загрязнений, моделированию выбросов вулканического пепла и дымовых шлейфов, а также к безопасному применению нанотехнологий.

Благодаря усовершенствованию векового уравнения человечество получает мощный инструмент для борьбы с невидимыми угрозами, которые ежедневно присутствуют в каждом вдохе воздуха.