华威大学的科学家们破解了空气污染科学中一个长期存在的难题：如何预测形状不规则的纳米颗粒在我们呼吸的空气中飘移时的运动轨迹。这些微小的颗粒——从烟尘、微塑料到病毒——与严重的健康风险相关，然而，为简化起见，大多数模型至今仍将它们视为完美的球体来处理。通过重新构建一个百年公式，研究人员首次创建了一种简单而准确的方法，来预测几乎所有形状的颗粒的行为。
每天，人们都会吸入数百万个微观粒子，包括烟尘、灰尘、花粉、微塑料、病毒以及 engineered 纳米颗粒。其中一些粒子非常微小，可以深入肺部，甚至进入血液。接触这些粒子与严重的健康问题相关，包括心脏病、中风和癌症。
大多数空气中的粒子并不具有光滑或对称的形状。然而，传统的数学模型通常假定这些粒子是完美的球体，因为球形能使方程更容易求解。这种简化限制了科学家准确追踪现实世界中粒子行为的能力，特别是那些可能带来更大健康风险的不规则形状粒子。
复兴百年方程，服务现代科学
华威大学的一位研究人员现在引入了第一种直接的方法，可以预测几乎任何形状的粒子在空气中的运动方式。该研究发表于《流体力学杂志·快报》，更新了一个已有100多年历史的公式，并解决了气溶胶科学中的一个主要空白。
该论文的作者、华威大学工程学院的邓肯·洛克比教授表示："动机很简单：如果我们能准确预测任何形状粒子的运动方式，我们就可以显著改进空气污染、疾病传播甚至大气化学的模型。这种新方法建立在一个非常古老的模型之上——一个简单但强大的模型——使其适用于复杂和不规则形状的粒子。"
修正气溶胶物理学中的一个关键疏漏
这一突破源于重新审视气溶胶科学中的一个基础工具，即所谓的坎宁安修正因子。该修正因子首次提出于1910年，旨在解释作用在微小粒子上的阻力如何与经典流体行为不同。
在1920年代，诺贝尔奖得主罗伯特·密立根对该公式进行了改进。在这个过程中，一个更简单且更通用的修正被忽视了。因此，后来的方程版本仍然局限于完美球形的粒子，限制了它们在现实条件下的实用性。
洛克比教授的工作将坎宁安的原始思想重构为一个更广泛、更灵活的形式。从这个修正框架出发，他引入了一个"修正张量"——一个数学工具，用于解释作用在任何形状粒子（包括球体和薄圆盘）上的阻力和抗力。重要的是，该方法不依赖于经验拟合参数。
邓肯·洛克比教授补充道："这篇论文旨在重拾坎宁安1910年工作的原始精神。通过推广他的修正因子，我们现在可以对几乎任何形状的粒子做出准确预测——无需进行大量的模拟或经验拟合。
"它提供了第一个能够准确预测非球形粒子如何在空气中运动的框架，并且由于这些纳米粒子与空气污染和癌症风险密切相关，这对环境健康和气溶胶科学来说是向前迈出的重要一步。"
这对污染、气候和健康研究意味着什么
新模型为理解空气中粒子如何在广泛科学领域中运动提供了更坚实的基础。这些领域包括空气质量监测、气候建模、纳米技术和医学。该方法可以改进对污染物如何在城市中扩散、野火烟雾或火山灰如何在大气中传播，以及 engineered 纳米颗粒在工业和医疗应用中如何行为的预测。
为了扩展这项工作，华威大学工程学院投资了一套最先进的新型气溶胶发生系统。该设施将使研究人员能够在受控条件下创建并仔细研究各种非球形粒子，有助于验证和改进新的预测方法。
与洛克比教授合作的华威大学工程学院的朱利安·加德纳教授表示："这个新设施将使我们能够探索现实世界中的空气粒子在受控条件下如何表现，有助于将这一理论突破转化为实用的环境工具。"