Warwick Araştırmacısı, Tehlikeli Nanopartiküllerin Modellenmesine Yardımcı Olmak İçin Asırlık Matematiği Yeniden Canlandırıyor

Asırlık bir matematik formülünün orijinal, değiştirilmemiş versiyonunu yeniden keşfederek, Warwick Üniversitesi araştırmacı tehlikeli, düzensiz şekilli nesnelerin hareketini izlemek için daha doğru bir model geliştirdi nanopartiküller bu da ciddi sağlık sorunlarına yol açabilir.

Kurum, toz ve benzeri kirleticiler mikroplastikler inhalasyondan sonra kan dolaşımına girebilir ve aşağıdaki gibi durumlara yol açabilir: kanserkalp hastalığı ve felç. Ancak modern matematiksel modellerin çoğu, bu düzensiz parçacıkları temsil etmekte zorlanıyor, bunun yerine onların mükemmel küreler olduğunu varsayarak, bu onların gerçek dünyadaki davranışlarını yansıtmayan bir basitleştirmedir.

Nanopartikül Kirliliği

Ortalama olarak insanlar her gün milyonlarca nanoparçacığı solurlar. Bunları nadiren fark etsek de, bunların kümülatif etkileri zamanla zararlı olabilir. Endüstriyel sızıntılar gibi akut olaylar daha da büyük riskler oluşturur ve hassas izleme gerektirir. Bununla birlikte, idealleştirilmiş küresel modeller ile gerçek parçacıkların düzensiz şekilleri arasındaki uyumsuzluk, bilim adamlarının hareketlerini ve etkilerini doğru bir şekilde tahmin etme yeteneklerini uzun süredir sınırlamaktadır.

Bu fark nihayet kapatıldı. Journal of Fluid Mechanics dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, Warwick Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nden Profesör Duncan Lockerby, bilim adamlarının havadaki parçacıkların sürüklenme ve hareketini hesaplama yöntemlerini geliştirmek için önemli bir matematiksel modelin en eski versiyonunu yeniden ele aldı.

"Motivasyon basitti: Herhangi bir şekle sahip parçacıkların nasıl hareket ettiğini doğru bir şekilde tahmin edebilirsek, hava kirliliği, hastalık bulaşması ve hatta atmosferik kimyaya ilişkin modelleri önemli ölçüde geliştirebiliriz." Lockerby dedi ki. "Bu yeni yaklaşım, basit ama güçlü olan çok eski bir modele dayanıyor ve onu karmaşık ve düzensiz şekilli parçacıklara uygulanabilir hale getiriyor."

Cunningham Düzeltme Faktörü

Aerosol biliminin temeli, Ebenezer Cunningham'ın Cunningham düzeltme faktörü olarak bilinen şeyi geliştirdiği 1910 yılına dayanmaktadır. Çalışması, küçük parçacıklar üzerindeki sürtünmenin klasik akışkanlar dinamiğine dayanan tahminlerden ne kadar farklı olduğunu araştırdı. Aynı yıl, Cunningham'ın meslektaşı Robert Millikan bulgularının doğrulanmasına yardımcı oldu ve daha sonra 1920'de formülü revize etti.

Ancak Millikan'ın revizyonu bir sınırlama getirdi: Cunningham'ın daha basit orijinal düzeltmesinin daha geniş uygulamalarını gözden kaçırarak yalnızca mükemmel küresel parçacıkların hareketini açıklayabiliyordu.

Lockerby, Cunningham'ın ilk çalışmasına geri döndü ve küre denklemlerini hemen hemen her şekle sahip nesnelere uyacak şekilde uyarlayan bir matematiksel araç olan bir düzeltme tensörü yaratarak onun üzerine inşa etti. Lockerby, bu tensörü Cunningham'ın orijinal öngörüleriyle birleştirerek, küresel olmayan parçacıkların hareketini ek parametreler gerektirmeden doğru bir şekilde modelleyebilen bir formül üretti.

Lockerby, "Bu makale, Cunningham'ın 1910 tarihli çalışmasının orijinal ruhunu geri kazanmakla ilgilidir" dedi. "Düzeltme faktörünü genelleştirerek artık yoğun simülasyonlara veya ampirik uydurmaya gerek kalmadan hemen hemen her şekle sahip parçacıklar için doğru tahminler yapabiliyoruz.

Lockerby, "Küresel olmayan parçacıkların havada nasıl hareket ettiğini doğru bir şekilde tahmin etmek için ilk çerçeveyi sağlıyor ve bu nanopartiküller hava kirliliği ve kanser riskiyle yakından bağlantılı olduğundan, bu hem çevre sağlığı hem de aerosol bilimi için ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır" diye ekledi.

Lockerby'nin Çalışmasını Uygulamak

Lockerby'nin revize edilmiş modeli, hava kalitesi araştırması, iklim bilimi, nanoteknoloji ve tıp alanlarındaki uygulamalar için güçlü bir temel sunuyor. Acil durumlarda, müdahale ekiplerinin kirletici maddelerin, volkanik külün veya orman yangını dumanının atmosfere nasıl yayıldığını tahmin etmelerine yardımcı olabilir. Endüstriyel ve tıbbi ortamlarda, üreticilerin ve farmasötik araştırmacıların üretim süreçlerini ve ilaç dağıtım sistemlerini daha hassas bir şekilde geliştirmelerine olanak sağlayabilir.

Warwick Mühendislik Okulu şimdi Lockerby'nin modelini daha fazla test etmek ve geliştirmek için son teknoloji ürünü bir aerosol üretim sistemi kurmayı planlıyor. Bu tesis, araştırmacıların kontrollü koşullar altında küresel olmayan parçacıklar üretmesine ve ölçmesine, teori ve deney arasında köprü kurmasına olanak tanıyacak.

Warwick Mühendislik Okulu'ndan Profesör Julian Gardner, "Bu yeni tesis, gerçek dünyadaki havadaki parçacıkların kontrollü koşullar altında nasıl davrandığını keşfetmemize olanak tanıyacak" dedi ve "bu teorik atılımın pratik çevre araçlarına dönüştürülmesine yardımcı olacak."

Kağıt, “Rastgele Şekilli ve Knudsen Sayılı Yavaş Hareket Eden Parçacıklar Üzerindeki Sürtünmeyi Yaklaştırmak için Bir Düzeltme Tensörü"diye ortaya çıktı Doğa Astronomi 29 Ekim 2025'te.

Ryan Whalen The Debrief için bilim ve teknolojiyi ele alıyor. Tarih alanında yüksek lisans derecesine ve Kütüphane ve Bilgi Bilimi alanında yüksek lisans derecesine ve Veri Bilimi sertifikasına sahiptir. Kendisiyle iletişim kurulabilir [email protected]ve onu Twitter'da takip edin @mdntwvlf.