华威大学的研究人员开创了一种简洁新颖的方法，用于预测有害气载污染物——不规则形状纳米颗粒在空气中的运动轨迹。

人们每日都会吸入无数微小颗粒，诸如煤烟、尘埃、花粉、微塑料、病毒以及人工合成的纳米颗粒。其中许多颗粒微小至极，能够深入肺部，甚至渗入血液，从而可能引发包括心脏病、中风和癌症在内的严重健康问题。

尽管大多数空中颗粒物的形状并不规则，但现有的数学模型常将它们视为完美球体，因为这样便于方程处理。然而，这种简化限制了科学家精准描述或追踪真实非球形颗粒物运动轨迹的能力，尤其是那些危害性更强的颗粒物。

为解决这一问题，华威大学的一名研究人员提出了一种首个可靠且易于操作的计算方法，用以计算任意形状粒子的运动轨迹。该研究发表于《流体力学快报》期刊，它对一个已有百年历史的方程式进行了更新和简化，填补了气溶胶科学领域长期存在的一项空白。

该论文作者、华威大学工程学院邓肯·洛克比教授表示：“我们的出发点很简单：若能精准预测任意形状颗粒物的运动轨迹，我们就能大幅优化空气污染、疾病传播乃至大气化学等领域的模型。这项新方法基于一个极为古老却极具生命力的模型，使其得以适用于复杂且不规则形状的颗粒物。”

重拾百年古方

这一突破源于对气溶胶科学基石之一——坎宁安修正因子的重新审视。该因子诞生于1910年，旨在预测微小颗粒所受阻力与经典流体力学定律的偏差。20世纪20年代，诺贝尔奖得主罗伯特·密立根对公式进行了优化，却无意间忽略了更简洁普适的修正路径。由此，现代理论始终局限于完美球形颗粒的范畴。

洛克比教授的新作将坎宁安的原始构想重新阐释为一种更为普适且优雅的形式。基于此，他引入了“修正张量”这一数学工具，该工具能够全面捕捉作用于任意形状颗粒（从球体到薄圆盘）上的各类阻力与抗力，且无需依赖经验拟合参数。

邓肯·洛克比教授补充道：“本文旨在重拾坎宁安1910年著作中的原始精神。通过推广他的修正系数，我们现在几乎可以对任何形状的粒子进行精准预测——无需进行大量模拟或经验拟合。”

“该研究首次提供了一个精准预测非球形颗粒在空气中传播路径的框架。鉴于这些纳米颗粒与空气污染及癌症风险密切相关，此项成果堪称环境健康与气溶胶科学领域的重要进展。”

继续前行

这一新型模型为理解空气中颗粒物的运动方式奠定了更为坚实的基础，其应用领域广泛，涵盖空气质量与气候建模，以及纳米技术与医学等多个学科。该模型有助于研究人员更精准地预测污染物在城市中的扩散路径、火山灰或野火烟雾的传播轨迹，以及工程纳米粒子在制造与药物递送系统中的行为表现。

为进一步推进这一突破性成果，沃里克工程学院投资购置了一套全新的尖端气溶胶生成系统。该设施将助力研究人员生成并精准研究更多类型的现实世界非球形颗粒物，从而进一步验证并拓展这一新方法。

华威大学工程学院朱利安·加德纳（Julian Gardner）教授正与洛克比（Lockerby）教授展开合作，他表示：“这一全新设施将助力我们探索真实世界中的空气颗粒在可控条件下的表现，有助于将这一理论突破转化为实用的环境工具。”

参考文献：邓肯·A·洛克比（Duncan A. Lockerby）所著《用于近似估算任意形状慢速运动粒子及克努森数下阻力的校正张量》，发表于2025年10月29日《流体力学杂志》。 DOI：10.1017/jfm.2025.10776