一项颠覆传统认知的研究发现，在密度变化的类海洋流体中，微小多孔颗粒因吸收盐分的方式反而比大颗粒沉降得更快。科学家通过在分层水柱中进行巧妙的3D打印琼脂形状实验证明，孔隙率和颗粒形状是决定沉降速度的关键因素。这项发现可能彻底改变我们对碳循环、微塑料行为乃至海洋碳捕集策略的理解。
现在，来自布朗大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员获得了关于粒子如何在海洋等分层流体（流体密度随深度变化）中下沉的惊人新见解。在发表于《美国国家科学院院刊》的一项研究中，他们表明，粒子的下沉速度不仅取决于流体产生的阻力拖曳力，还取决于它们相对于自身体积吸收盐分的速率。
“这基本上意味着较小的粒子可以比较大的粒子下沉得更快，”领导这项工作的布朗大学工程学院博士后研究员罗伯特·亨特说，“这与你在具有均匀密度的流体中所预期的情形完全相反。”
研究人员希望这些新见解有助于理解海洋养分循环，以及其他多孔微粒（包括微塑料）的沉降过程。
“我们最终得到了一个相当简单的公式，你可以代入不同参数的估计值——例如粒子的大小或液体密度变化的速率——从而得到下沉速度的合理估计值，”布朗大学工程学副教授、该研究的负责人丹尼尔·哈里斯说，“拥有易于使用的预测能力是非常有价值的。”
这项研究源于亨特和哈里斯先前研究中性浮力粒子（即下沉到某一深度后停止的粒子）的工作。亨特注意到一些似乎与粒子孔隙度相关的奇怪行为。
“我们在一个假设下测试理论，即这些粒子会保持中性浮力，”亨特说，“但当我们观察它们时，它们却在不断下沉，这实际上有点令人沮丧。”
这促生了一个新的理论模型，用以解释孔隙度——特别是吸收盐分的能力——如何影响粒子下沉的速率。该模型预测，一个粒子相对于其尺寸能吸收的盐分越多，它下沉得就越快。这意味着，与直觉相反，小的多孔粒子比大的粒子下沉得更快。
为了测试该模型，研究人员开发了一种方法来制造一个线性分层的水体，其中液体的密度随深度逐渐增加。为此，他们用一个大型水槽供水，水源来自两个较小的水槽，一个盛有淡水，另一个盛有盐水。每个小水槽都配有可控泵，使他们能够精确控制大水槽中的密度梯度。
随后，研究团队使用3D打印模具，用琼脂（一种源自海藻的凝胶状材料）制造了不同形状和尺寸的粒子。他们用相机拍摄了单个粒子下沉的过程。
实验证实了模型的预测。对于球形粒子，较小的往往下沉得更快。对于更薄或更扁平的粒子，其沉降速度主要由它们的最小尺寸决定。这意味着，细长粒子实际上比相同体积的球形粒子下沉得更快。
研究人员称，这些结果令人惊讶，并可能为了解粒子在更复杂的生态环境中如何沉降提供重要见解——无论是用于理解自然碳循环，还是用于设计加速大型水体碳捕获的方法。
“我们并非试图完全复制海洋条件，”哈里斯说，“我们实验室的方法是将其简化到最基本的形式，思考这些复杂现象背后的基础物理学原理。然后，我们可以与实地测量这些现象的科研人员反复交流，以理解这些基本原理在何处适用。”
哈里斯表示，他希望与海洋学家和气候科学家建立联系，看看这些新发现能提供哪些见解。
该研究的其他合著者包括来自北卡罗来纳大学教堂山分校的罗伯托·卡马萨和理查德·麦克劳克林。这项研究得到了美国国家科学基金会（DMS-1909521, DMS-1910824, DMS-2308063）和海军研究办公室（N00014-18-1-2490 and N00014-23-1-2478）的资助。