Επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Γουόρικ της Αγγλίας κατάφεραν να λύσουν ένα πρόβλημα, που απασχολούσε την κοινότητα, η οποία διερευνούσε την ατμοσφαιρική ρύπανση τον τελευταίο αιώνα.

Με τη μελέτη τους, στην ουσία, απάντησαν, στο πώς μπορούν να προβλεφθούν με ακρίβεια οι κινήσεις νανοσωματιδίων ακανόνιστου σχήματος, καθώς αιωρούνται στον αέρα που αναπνέει το ανθρώπινο είδος.

Τα σωματίδια αυτά, από αιθάλη και μικροπλαστικά μέχρι ιούς, συνδέονται με σοβαρούς κινδύνους για την υγεία. Ωστόσο, τα περισσότερα επιστημονικά μοντέλα μέχρι σήμερα τα αντιμετώπιζαν ως τέλειες σφαίρες, για λόγους απλότητας. Αναθεωρώντας έναν μαθηματικό τύπο ηλικίας 100 και πλέον ετών, οι ερευνητές παρουσίασαν για πρώτη φορά έναν απλό και αξιόπιστο τρόπο πρόβλεψης της συμπεριφοράς σωματιδίων σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος.

Πώς κινούνται τα σωματίδια που εισπνέει ο άνθρωπος

Κάθε μέρα, οι άνθρωποι εισπνέουν εκατομμύρια μικροσκοπικά σωματίδια, όπως καπνό, σκόνη, γύρη, μικροπλαστικά, ιούς και τεχνητά νανοσωματίδια. Ορισμένα από αυτά είναι τόσο μικρά, ώστε μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στους πνεύμονες και ακόμη και να περάσουν στην κυκλοφορία του αίματος. Η έκθεση σε τέτοια σωματίδια έχει συνδεθεί με σοβαρά προβλήματα υγείας, όπως καρδιοπάθειες, εγκεφαλικά επεισόδια και καρκίνο.

Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα αιωρούμενα σωματίδια δεν έχουν λεία ή συμμετρικά σχήματα. Παρ’ όλα αυτά, τα παραδοσιακά μαθηματικά μοντέλα συνήθως υποθέτουν, ότι είναι τέλειες σφαίρες, επειδή έτσι οι εξισώσεις λύνονται ευκολότερα. Αυτή η απλοποίηση, όμως, περιορίζει σημαντικά την ικανότητα των επιστημόνων να κατανοήσουν, πώς συμπεριφέρονται τα πραγματικά, ακανόνιστα σωματίδια, ιδίως εκείνα που θεωρούνται πιο επικίνδυνα για την υγεία.

Ένας τύπος 100 ετών επιστρέφει στη σύγχρονη επιστήμη για τα σωματίδια

Ερευνητής του Πανεπιστημίου του Γουόρικ παρουσίασε την πρώτη απλή μέθοδο, που μπορεί να προβλέψει, πώς κινούνται στον αέρα σωματίδια σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Journal of Fluid Mechanics, βασίζεται στην αναθεώρηση ενός τύπου που είχε διατυπωθεί πριν από περισσότερα από 100 χρόνια και καλύπτει ένα κρίσιμο κενό στην επιστήμη των αερολυμάτων.

Ο συγγραφέας της μελέτης, ο καθηγητής Duncan Lockerby από τη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Γουόρικ, εξηγεί: «Το κίνητρο ήταν απλό: αν μπορούμε να προβλέψουμε με ακρίβεια πώς κινούνται σωματίδια οποιουδήποτε σχήματος, μπορούμε να βελτιώσουμε σημαντικά τα μοντέλα για την ατμοσφαιρική ρύπανση, τη μετάδοση ασθενειών και ακόμη και τη χημεία της ατμόσφαιρας. Η νέα προσέγγιση βασίζεται σε ένα πολύ παλιό μοντέλο -απλό αλλά ισχυρό- και το καθιστά εφαρμόσιμο σε σύνθετα, ακανόνιστα σωματίδια».

Η ανακάλυψη προέκυψε από μια νέα ματιά σε ένα θεμελιώδες εργαλείο της φυσικής των αερολυμάτων, γνωστό ως διορθωτικός παράγοντας Cunningham. Ο παράγοντας αυτός εισήχθη το 1910, για να εξηγήσει, πώς οι δυνάμεις αντίστασης σε πολύ μικρά σωματίδια διαφέρουν από εκείνες που περιγράφει η κλασική μηχανική ρευστών.

Τι αλλάζει με τον νέο τύπο για τα σωματίδια

Τη δεκαετία του 1920, ο βραβευμένος με Νόμπελ Ρόμπερτ Μίλικαν βελτίωσε τον τύπο. Κατά τη διαδικασία αυτή, όμως, παραβλέφθηκε μια απλούστερη και πιο γενική διόρθωση. Έτσι, οι μεταγενέστερες εκδοχές του τύπου παρέμειναν περιορισμένες σε τέλεια σφαιρικά σωματίδια, μειώνοντας τη χρησιμότητά τους σε πραγματικές συνθήκες.

Η εργασία του καθηγητή Λόκερμπι αναδομεί την αρχική ιδέα του Cunningham σε ένα πιο ευέλικτο πλαίσιο. Από εκεί προκύπτει ένας «διορθωτικός τανυστής», ένα μαθηματικό εργαλείο που λαμβάνει υπόψη την αντίσταση και τις δυνάμεις που δρουν σε σωματίδια οποιουδήποτε σχήματος, από σφαίρες έως λεπτούς δίσκους, χωρίς να απαιτούνται εμπειρικές προσαρμογές.

«Η μελέτη αυτή επαναφέρει το αρχικό πνεύμα της δουλειάς του Cunningham το 1910», σημειώνει ο Λόκερμπι. «Γενικεύοντας τον διορθωτικό του παράγοντα, μπορούμε πλέον να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις για σωματίδια σχεδόν κάθε σχήματος, χωρίς πολύπλοκες προσομοιώσεις. Πρόκειται για ένα σημαντικό βήμα για την περιβαλλοντική υγεία και την επιστήμη των αερολυμάτων».

Το νέο μοντέλο προσφέρει μια πιο στέρεη βάση για την κατανόηση της κίνησης των αιωρούμενων σωματιδίων σε πολλούς τομείς: από την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα και τα κλιματικά μοντέλα, έως τη νανοτεχνολογία και την ιατρική. Θα μπορούσε να βελτιώσει τις προβλέψεις, για το πώς εξαπλώνεται η ρύπανση στις πόλεις, πώς μετακινείται ο καπνός από δασικές πυρκαγιές ή η ηφαιστειακή τέφρα, αλλά και πώς συμπεριφέρονται τα τεχνητά νανοσωματίδια σε βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές.

Για τη συνέχιση της έρευνας, η Σχολή Μηχανικών του Γουόρικ επένδυσε σε ένα νέο, υπερσύγχρονο σύστημα παραγωγής αερολυμάτων, που θα επιτρέπει τη δημιουργία και τη μελέτη μη σφαιρικών σωματιδίων υπό ελεγχόμενες συνθήκες.

Ο καθηγητής Julian Gardner, επίσης από το Πανεπιστήμιο του Warwick, σημειώνει: «Η νέα αυτή υποδομή θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε, πώς συμπεριφέρονται τα πραγματικά αιωρούμενα σωματίδια και να μεταφράσουμε αυτή τη θεωρητική πρόοδο σε πρακτικά εργαλεία για το περιβάλλον».

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Journal of Fluid Mechanics και βασίζεται σε υλικό του University of Warwick.

Με πληροφορίες από Πανεπιστήμιο του Γουόρικ, Science Daily