Wetenschappers lossen 100 jaar oud mysterie van luchtvervuiling op, revolutioneren deeltjesvoorspelling

Verenigd Koninkrijk - Ekhbary Nieuwsagentschap

Wetenschappers lossen 100 jaar oud mysterie van luchtvervuiling op, revolutioneren deeltjesvoorspelling

WARWICK, VK – In een belangrijke wetenschappelijke doorbraak met diepgaande implicaties voor de volksgezondheid en milieuwetenschappen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Warwick met succes een honderd jaar oud raadsel opgelost betreffende de beweging van nanodeeltjes in de lucht. Deze cruciale ontwikkeling belooft een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop wetenschappers luchtvervuiling modelleren, door een ongekend niveau van nauwkeurigheid te bieden bij het voorspellen van het gedrag van minuscule, onregelmatig gevormde deeltjes die ernstige gezondheidsrisico's met zich meebrengen.

Decennialang heeft de wetenschappelijke gemeenschap geworsteld met de uitdaging om nanodeeltjes nauwkeurig te volgen terwijl ze door de atmosfeer zweven. Deze minuscule luchtverontreinigende stoffen – variërend van industrieel roet en alomtegenwoordige microplastics tot infectieuze virussen – dringen aantoonbaar diep door in de menselijke longen en komen zelfs in de bloedbaan terecht, wat bijdraagt aan een breed scala aan ernstige gezondheidsproblemen, waaronder ademhalingsziekten, hart- en vaatziekten en zelfs neurologische aandoeningen. Ondanks de kritieke gezondheidsimplicaties hebben de meeste bestaande luchtkwaliteitsmodellen historisch gezien een vereenvoudigende aanname gebruikt: deze complexe deeltjes behandelen als perfecte bollen. Deze benadering, hoewel het de computationele lasten verlichtte, bracht de nauwkeurigheid van voorspellingen aanzienlijk in gevaar, vooral voor deeltjes met zeer onregelmatige geometrieën.

De kern van dit langdurige probleem lag in de beperkingen van een formule die meer dan een eeuw geleden werd ontwikkeld door Albert Einstein en later door anderen werd verfijnd, ontworpen om de Brownse beweging van deeltjes te beschrijven. Hoewel fundamenteel, worstelde deze klassieke benadering met de complexiteiten die werden geïntroduceerd door niet-bolvormige vormen, wat leidde tot aanzienlijke discrepanties tussen theoretische voorspellingen en waarnemingen uit de echte wereld. Het Warwick-team, onder leiding van professor Matthew Turner van de afdeling Natuurkunde, begon aan een missie om deze fundamentele fout aan te pakken, en erkende de dringende behoefte aan meer geavanceerde voorspellende hulpmiddelen in een tijdperk van toenemende zorgen over de luchtkwaliteit.

Hun innovatieve onderzoek omvatte een uitgebreide herbeoordeling en ingewikkelde herwerking van de eerbiedwaardige honderd jaar oude formule. In plaats van te proberen onregelmatig gevormde deeltjes in een bolvormige mal te persen, ontwikkelden de wetenschappers een nieuw wiskundig kader dat rekening houdt met de ware, complexe geometrieën van deze nanodeeltjes. Deze doorbraak omvatte de integratie van geavanceerde computationele vloeistofdynamica met geavanceerde statistische mechanica, waardoor ze de rotatie- en translatie-diffusie van deeltjes van vrijwel elke vorm konden karakteriseren. Door nauwkeurig te modelleren hoe deze deeltjes tuimelen en driften, biedt de nieuwe methode een veel realistischer beeld van hun atmosferische reis.

Professor Turner benadrukte de betekenis van hun bevindingen en stelde: "Dit is niet zomaar een academische oefening; het heeft tastbare, reële gevolgen. Door eindelijk de beweging van onregelmatig gevormde nanodeeltjes nauwkeurig te kunnen voorspellen, kunnen we veel effectievere strategieën ontwikkelen om luchtvervuiling te bestrijden, betere filtersystemen te ontwerpen en uiteindelijk de volksgezondheid robuuster te beschermen." Het onderzoek, gepubliceerd in een toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift, beschrijft hoe hun aanpak universeel kan worden toegepast, en biedt een eenvoudig maar krachtig hulpmiddel voor onderzoekers wereldwijd.

De implicaties van deze ontdekking zijn enorm en veelzijdig. Op het gebied van de volksgezondheid zullen verbeterde modelleringsmogelijkheden gezondheidsautoriteiten in staat stellen om nauwkeurigere waarschuwingen af te geven tijdens vervuilingsgebeurtenissen, overdrachtswegen van ziekten (vooral voor door de lucht overgedragen virussen) beter te begrijpen en beleidsbeslissingen te informeren die gericht zijn op het verminderen van blootstelling aan schadelijke deeltjes. Voor milieuagentschappen betekent het nieuwe kader nauwkeurigere beoordelingen van vervuilingsbronnen en verspreidingspatronen, wat gerichte interventies en effectievere regelgevende maatregelen vergemakkelijkt.

Naast de monitoring van vervuiling belooft deze doorbraak verschillende technologische vooruitgangen. Het zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere luchtzuiveringssystemen, die een breder spectrum van deeltjesvormen kunnen opvangen. Het zou ook het ontwerp van geavanceerde materialen kunnen beïnvloeden, waarbij het begrijpen van deeltjesgedrag op nanoschaal cruciaal is, of zelfs in medicijnafgiftesystemen, waarbij de beweging van therapeutische nanodeeltjes in het lichaam een kritieke factor is. Het vermogen om het gedrag van zulke diverse deeltjes, van microscopische plasticfragmenten tot biologische aerosolen, te voorspellen, opent nieuwe wegen voor interdisciplinair onderzoek en innovatie.

Dit onderzoek onderstreept de voortdurende inzet van instellingen zoals de Universiteit van Warwick om mondiale uitdagingen aan te pakken door middel van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Door een probleem op te lossen dat wetenschappers al meer dan honderd jaar bezighoudt, heeft het team niet alleen ons begrip van atmosferische fysica vergroot, maar ook een cruciaal hulpmiddel geleverd in de wereldwijde strijd voor schonere lucht en gezondere bevolkingen. Aangezien verstedelijking en industrialisatie wereldwijd blijven bijdragen aan complexe luchtkwaliteitsproblemen, worden dergelijke wetenschappelijke vorderingen steeds belangrijker voor het veiligstellen van onze collectieve toekomst.

Ekhbary Nieuwsagentschap