Zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi jest dziś wszechobecne, a mikroplastikowe cząsteczki z produktów jednorazowego użytku znajdują się w środowisku naturalnym na całym świecie, w tym na Antarktydzie. Jednak sposób w jaki te cząstki przemieszczają się i gromadzą w środowisku do tej pory nie był do końca znany. Obecnie badanie Uniwersytetu Princeton ujawniło mechanizm, za pomocą którego mikroplastiki, takie jak styropian i zanieczyszczenia w postaci cząstek stałych, są przenoszone na duże odległości przez glebę i inne porowate media, co może mieć wpływ na przyszłe zapobieganie rozprzestrzenianiu się i gromadzeniu zanieczyszczeń w źródłach żywności i wody.

Badanie, opublikowane 13 listopada w Science Advances, ujawnia, że ​​cząsteczki mikroplastiku grzęzną podczas podróży przez porowate materiały, takie jak gleba i osad, ale później uwalniają się i często przemieszczają się znacznie dalej. Zidentyfikowanie tego procesu zatrzymywania i ponownego uruchamiania oraz warunków, które go kontrolują, jest zupełnie nowe - powiedział Sujit Datta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej powiązany z Andlinger Center for Energy and the Environment, High Meadows Environmental Institute i Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Wcześniej naukowcy myśleli, że kiedy mikrocząstki zostają uwięzione w danym medium, na ogół tam pozostają, co ograniczało wiedzę na temat rozprzestrzeniania się cząstek.

Datta kierował zespołem badawczym, który odkrył, że mikrocząstki są "wypychane", gdy szybkość przepływu płynu przez medium pozostaje wystarczająco wysoka. Naukowcy z Princeton wykazali, że proces osadzania się jest cykliczny, z naprzemiennym powstawaniem i rozpadaniem się skupisk, tworzących zatory.

„Nie tylko odkryliśmy tę ciekawą dynamikę cząstek, które zostają uwięzione, łączą się w zgrupowania, a potem są dalej przepychane. Okazuje się, że ten proces pozwala cząstkom się rozprzestrzeniać na dużo większych dystansach, niż by się wydawało” - powiedział Datta.

W skład zespołu weszli Navid Bizmark, pracownik naukowy z tytułem doktora w Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, doktorantka Joanna Schneider oraz Rodney Priestley, profesor inżynierii chemicznej i biologicznej oraz prodziekan ds. innowacji.

Badacze przetestowali dwa rodzaje cząstek, „lepkie” i „nielepkie”, które odpowiadają rzeczywistym typom mikroplastików występujących w środowisku. Co zaskakujące, odkryli, że nie ma różnicy w samym procesie - to znaczy oba rodzaje cząstek zostają uwięzione a następnie uwolnione przy dostatecznie wysokim ciśnieniu płynu. Jedyną różnicą było to, gdzie formowały się klastry. Cząsteczki „nieklejące się” miały tendencję do blokowania się tylko w wąskich przejściach, podczas gdy lepkie wydawały się być w stanie uwięzić na każdej powierzchni napotkanego ośrodka stałego. W wyniku tej dynamiki stało się jasne, że nawet „lepkie” cząsteczki mogą rozprzestrzeniać się na dużych obszarach i przez setki porów.

„Datta i współpracownicy otworzyli czarną skrzynkę” - powiedział Philippe Coussot, profesor w Ecole des Ponts Paris Tech i ekspert w dziedzinie reologii, który nie jest związany z badaniem.

„Wymyśliliśmy triki, aby uczynić media przezroczystymi. Następnie, używając mikrocząstek fluorescencyjnych, możemy obserwować ich dynamikę w czasie rzeczywistym za pomocą mikroskopu” - powiedział Datta.

Badanie, które Coussot opisał jako „niezwykłe podejście eksperymentalne”, wykazało, że chociaż mikrocząstki styropianu utknęły w punktach, ostatecznie zostały wypchnięte i przemieszczone na całej długości nośnika podczas eksperymentu.

Ostatecznym celem badania jest wykorzystanie tych obserwacji do poprawy parametrów modeli o większej skali, aby przewidzieć ilość i lokalizację zanieczyszczenia. Modele byłyby oparte na różnych typach porowatych mediów i różnych rozmiarach cząstek oraz składzie chemicznym i pomogłyby dokładniej przewidzieć zanieczyszczenie w różnych warunkach. Badania mogą pomóc w opracowaniu modeli matematycznych, by lepiej zrozumieć prawdopodobieństwo przemieszczenia się cząstki na pewną odległość i dotarcia do wrażliwego miejsca docelowego, takiego jak pobliskie pola uprawne, rzeki czy warstwy wodonośna.

Datta powiedział, że ten eksperyment jest dopiero wierzchołkiem góry lodowej „Teraz, kiedy znaleźliśmy coś tak zaskakującego w tak prostym systemie, nie możemy się doczekać, aby zobaczyć, jakie są tego konsekwencje dla bardziej złożonych systemów” - powiedział Datta.

Powiedział, na przykład, że zasada ta może dać wgląd w to, jak gliny, minerały, ziarna, kwarc, wirusy, drobnoustroje i inne cząstki poruszają się w mediach o złożonej chemii powierzchni.

Wiedza ta pomoże również naukowcom zrozumieć, jak wdrożyć specjalnie zaprojektowane nanocząsteczki, aby naprawić skażone warstwy wodonośne wód gruntowych.

Praca ta była wspierana przez inicjatywę Grand Challenges Initiative High Meadows Environmental Institute, nagrodę im. Alfreda Rheinsteina z School of Engineering and Applied Science oraz stypendium podoktoranckie z Princeton Center for Complex Materials dla Navid Bizmark.