Les ingénieurs découvrent pourquoi de minuscules particules forment des grappes dans l’air turbulent

De minuscules particules solides – comme les polluants, les gouttelettes de nuages ​​et les poudres de médecine – forment des grappes hautement concentrées dans des environnements turbulents comme les cheminées, les nuages ​​et les mélangeurs pharmaceutiques.

Ce qui provoque ces grappes extrêmes – ce qui rend plus difficile de prédire tout, de la propagation de la fumée de forêt à la recherche de la bonne combinaison d’ingrédients pour des médicaments plus efficaces – est des scientifiques perplexes.

Une étude de l’université de Buffalo, publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciencessuggère que la réponse réside dans les forces électriques entre les particules.

“De petites charges électriques inégales entre les particules dans les flux d’air turbulents jouent un rôle beaucoup plus important que nous ne le pensions auparavant”, explique l’auteur correspondant Hui Meng, Ph.D., professeur distingué UB au Département de génie mécanique et aérospatial.

“Découvrir ce mécanisme caché pourrait conduire à de meilleures prédictions et contrôles dans la recherche climatique, la médecine, l’ingénierie et la science.”

L’équipe a commencé son travail avec l’idée que les particules échangent de petites portions de charge électrique lorsqu’elles entrent en collision dans de l’air turbulent. Mais au lieu de se propager uniformément, les charges forment des patchs irréguliers à travers la surface de chaque particule – ce que l’équipe appelle une «charge en mosaïque».

Ces charges inégales créent des dipôles électriques qui s’arrêtent les uns les autres, ce qui conduit à plus de collisions et à plus de charges.

“En fin de compte, cette action renforce l’attraction entre les particules, créant une boucle de rétroaction positive que nous avons nommée Impact, qui est abrégé pour les collisions amplifiées potentielles mosaïques inhomogènes dans la turbulence”, explique la première auteur Danielle R. Johnson, qui a récemment valu son doctorat. de UB.

Pour tester cette hypothèse, l’équipe a placé des sphères de verre creuses – un stand-in pour des particules solides – dans une chambre où ils contrôlaient des flux d’air turbulents. Les chercheurs ont ensuite utilisé un système de suivi de particules 3D à haute résolution, à haute vitesse, ainsi que des outils microscopiques à force atomique, pour mesurer les modèles de charge à l’échelle nanométrique sur les particules.

Ils ont constaté que les sphères de verre agissaient comme supposées, avec des mouvements correspondant à ceux des dipôles. Bien qu’il soit effectué dans un cadre contrôlé, l’équipe affirme que les résultats peuvent être appliqués à une multitude de scénarios du monde réel où les interactions des particules sont essentielles. Par exemple:

• Développement de médicaments – Dans la fabrication pharmaceutique, les poudres se mélangent et se comportent de diverses manières. S’ils forment des grappes extrêmes, cela pourrait inciter les fabricants de médicaments à changer la façon dont les médicaments sont fabriqués et, finalement, les rendre plus efficaces dans la lutte contre les maladies.
• Des précipitations extrêmes – des gouttelettes de nuages ​​et des cristaux de glace entrent en collision pour créer des tempêtes de pluie. Le regroupement peut modifier ces interactions, conduisant à des tempêtes moins prévisibles ou plus fortes. Une meilleure compréhension d’un tel comportement pourrait améliorer les prédictions et aider à sauver des vies et des biens.
• Pollution atmosphérique – Les particules du smog peuvent aggraver différemment que les modèles prédisent, modifiant l’intensité du smog et combien de temps il reste dans l’air.
• Combustion du carburant – Les interactions des particules de carburant dans les moteurs et autres sources de combustion ont de grands impacts. Une meilleure compréhension du regroupement pourrait conduire à une consommation d’énergie plus efficace.

“Ce qui est vraiment excitant dans cette constatation, c’est qu’il met en lumière un phénomène auparavant négligé dans les turbulences particulaires, et il a de larges implications environnementales, industrielles et sociétales”, explique le co-auteur James Chen, Ph.D., professeur agrégé au Département de génie mécanique et aérospatial.

Les co-auteurs supplémentaires incluent Adam Bocanski, un doctorat UB. candidat au Département de génie mécanique et aérospatial, et Emily M. Diorio, une senior UB spécialisée en génie électrique.