Små fasta partiklar – såsom föroreningar, molndroppar och medicinpulver – bildar högkoncentrerade kluster i turbulenta miljöer såsom skorstenar, moln och farmaceutiska blandare.
Vad som orsakar dessa extrema kluster – som gör det svårare att förutsäga allt från spridningen av rök från skogsbränder till att hitta rätt kombination av ingredienser för effektivare läkemedel – har förbryllat forskare.
En studie från University at Buffalo, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences, tyder på att svaret ligger i de elektriska krafterna mellan partiklarna.
”Små, ojämna elektriska laddningar mellan partiklar i turbulenta luftströmmar spelar en mycket viktigare roll än vi tidigare trott”, säger korresponderande författare Hui Meng, Ph.D., UB Distinguished Professor vid Institutionen för mekanik och rymdteknik.
”Att avslöja denna dolda mekanism kan leda till bättre förutsägelser och kontroller inom klimatforskning, medicin, teknik och vetenskap.”
Teamet började sitt arbete med idén att partiklar utbyter små delar av elektrisk laddning när de kolliderar i turbulent luft. Men istället för att spridas jämnt bildar laddningarna oregelbundna fläckar över ytan på varje partikel – något som teamet kallar för ”mosaikladdning”.
Dessa fläckiga laddningar skapar elektriska dipoler som attraherar varandra, vilket leder till fler kollisioner och fler laddningar.
”I slutändan stärker denna åtgärd attraktionskraften mellan partiklarna och skapar en positiv återkopplingsloop som vi har döpt till IMPACT, vilket är en förkortning av Inhomogeneous Mosaic Potential Amplified Collisions in Turbulence”, säger försteförfattaren Danielle R. Johnson, som nyligen tog sin doktorsexamen vid UB.
För att testa denna hypotes placerade teamet ihåliga glassfärer – som ersättning för fasta partiklar – i en kammare där de kontrollerade turbulenta luftströmmar. Forskarna använde sedan ett högupplöst, höghastighets 3D-partikelspårningssystem samt atomkraftsmikroskopiska verktyg för att mäta nanostora laddningsmönster på partiklarna.
De fann att glassfärerna fungerade som antaget, med rörelser som matchade dipolernas. Även om experimentet utfördes i en kontrollerad miljö, säger teamet att resultaten kan tillämpas på en rad verkliga scenarier där partikelinteraktioner är avgörande. Till exempel:
- Läkemedelsutveckling – Vid tillverkning av läkemedel blandas pulver och beter sig på olika sätt. Om de bildar extrema kluster kan det få läkemedelstillverkare att ändra hur läkemedlen tillverkas, vilket i slutändan gör dem mer effektiva i kampen mot sjukdomar.
- Extrema regnfall – Molndroppar och iskristaller kolliderar och skapar regnstormar. Klusterbildning kan förändra dessa interaktioner, vilket leder till mindre förutsägbara eller starkare stormar. En bättre förståelse av sådant beteende kan förbättra prognoserna och bidra till att rädda liv och egendom.
- Luftföroreningar – Smogpartiklar kan klumpa sig på ett annat sätt än vad modellerna förutspår, vilket förändrar smogens intensitet och hur länge den stannar kvar i luften.
- Bränsleförbränning – Små partikelinteraktioner i motorer och andra förbränningskällor har stor inverkan. En bättre förståelse av klusterbildning kan leda till en mer effektiv energianvändning.
”Det som är riktigt spännande med denna upptäckt är att den belyser ett tidigare förbisedd fenomen i partikel turbulens, och att den har breda miljö-, industri- och samhällsmässiga konsekvenser”, säger medförfattaren James Chen, Ph.D., docent vid Institutionen för maskinteknik och rymdteknik.
Ytterligare medförfattare är Adam Bocanski, doktorand vid institutionen för maskin- och rymdteknik vid UB, och Emily M. Diorio, seniorstudent med elektroteknik som huvudämne vid UB.
Mer information: 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
