Учёные раскрыли причину образования кластеров частиц в турбулентном воздухе

Автор: Pixabay from Pexels

Крошечные твёрдые частицы — такие как загрязнители, капли облаков и лекарственные порошки — образуют высококонцентрированные кластеры в турбулентных средах, таких как дымовые трубы, облака и фармацевтические смесители.

Причина этих экстремальных кластеров, которые затрудняют прогнозирование всего — от распространения дыма лесных пожаров до поиска правильной комбинации ингредиентов для более эффективных лекарств, долгое время оставалась загадкой для учёных.

Исследование Университета Буффало, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, предполагает, что ответ кроется в электрических силах между частицами.

«Небольшие неравномерные электрические заряды между частицами в турбулентных воздушных потоках играют гораздо более важную роль, чем мы думали ранее», — говорит ведущий автор исследования Хуэй Мэн, доктор философии, выдающийся профессор UB на кафедре машиностроения и аэрокосмической техники.

«Обнаружение этого скрытого механизма может привести к лучшим прогнозам и контролю в климатических исследованиях, медицине, инженерии и науке».

Команда начала свою работу с идеи, что частицы обмениваются небольшими порциями электрического заряда при столкновении в турбулентном воздухе. Но вместо равномерного распределения заряды образуют нерегулярные участки на поверхности каждой частицы — то, что команда называет «мозаичным зарядом».

Эти пятнистые заряды создают электрические диполи, которые притягиваются друг к другу, что приводит к большему количеству столкновений и большему количеству зарядов.

«В конечном итоге это действие усиливает притяжение между частицами, создавая петлю положительной обратной связи, которую мы назвали IMPACT, что означает Inhomogeneous Mosaic Potential Amplified Collisions in Turbulence (Усиленные столкновения в турбулентности из-за неоднородного мозаичного потенциала)», — говорит первый автор Даниэль Р. Джонсон, недавно получившая докторскую степень в UB.

Чтобы проверить эту гипотезу, команда поместила полые стеклянные сферы — замену твёрдым частицам — в камеру, где они контролировали турбулентные воздушные потоки. Исследователи затем использовали высокоразрешающую, высокоскоростную 3D-систему отслеживания частиц, а также инструменты атомно-силовой микроскопии для измерения наномасштабных зарядовых паттернов на частицах.

Они обнаружили, что стеклянные сферы вели себя в соответствии с гипотезой, с движениями, соответствующими движениям диполей. Хотя эксперимент проводился в контролируемых условиях, команда утверждает, что результаты могут быть применены к множеству реальных сценариев, где ключевое значение имеют взаимодействия частиц. Например:

• Разработка лекарств — в фармацевтическом производстве порошки смешиваются и ведут себя по-разному. Если они образуют экстремальные кластеры, это может побудить производителей лекарств изменить способ их производства и в конечном итоге сделать их более эффективными в борьбе с болезнями.
• Экстремальные осадки — капли облаков и кристаллы льда сталкиваются, создавая ливни. Кластеризация может изменить эти взаимодействия, что приведёт к менее предсказуемым или более сильным штормам. Лучшее понимание такого поведения может улучшить прогнозы и помочь спасти жизни и имущество.
• Загрязнение воздуха — частицы смога могут слипаться иначе, чем предсказывают модели, изменяя интенсивность смога и то, как долго он остаётся в воздухе.
• Сгорание топлива — крошечные взаимодействия частиц в двигателях и других источниках горения имеют большое влияние. Лучшее понимание кластеризации может привести к более эффективному использованию энергии.

«Что действительно захватывает в этом открытии, так это то, что оно проливает свет на ранее упускаемое явление в турбулентности частиц и имеет широкие экологические, промышленные и социальные последствия», — говорит соавтор Джеймс Чен, доктор философии, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники.

Дополнительными соавторами выступили Адам Бочански, кандидат наук UB на кафедре машиностроения и аэрокосмической техники, и Эмили М. Диорио, старший специалист UB по электротехнике.

Больше информации: Danielle R. Johnson et al, Amplification of particle collision through contact electrification in isotropic turbulence, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507580122

Источник: University at Buffalo