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如今，塑料污染无处不在，在包括南极洲在内的全球自然环境中都发现了来自一次性物品的微塑料颗粒。但是，人们对这些粒子如何在环境中移动和积累的了解却很少。现在，普林斯顿大学的一项研究揭示了聚苯乙烯泡沫塑料和微粒污染物通过土壤和其他多孔介质长距离传播的机制，这对于防止污染物在食物和水源中的扩散和积累具有重要意义。
这项发表在《科学进展》上的研究表明，微塑料颗粒在穿过诸如土壤和沉积物之类的多孔材料时会被卡住，但随后会破裂，并且通常会继续大幅移动。安德林格能源与环境中心，高梅多斯环境研究所和普林斯顿研究所化学与生物工程学助理教授及相关系教授苏吉特·达塔说，识别这种停止和重启过程及其控制条件是新的。材料科学与技术系。以前，研究人员认为，当微粒被卡住时，它们通常会停留在那里，这限制了对微粒扩散的理解。
研究表明，这里描述为绿色颗粒的塑料如何通过反复地被卡住然后释放的过程在土壤和其他物质中长距离传播。
达塔（Datta）领导了研究小组，该小组发现当流过介质的流体速率保持足够高时，微粒被释放。普林斯顿大学的研究人员表明，沉积过程或木log的形成以及侵蚀及其破裂是周期性的；形成木form，然后随着时间和距离的变化而被流体压力分解，使颗粒进一步移动通过孔隙，直到木reform重新形成为止。
达塔说：“我们不仅发现颗粒的这些冷动力学被卡住，堵塞，积聚然后被推动通过，而且该过程使颗粒能够在比我们原本认为的要大得多的距离上散布开来。”
团队成员包括普林斯顿材料科学与技术学院的博士后研究助理Navid Bizmark，研究生乔安娜·施耐德（Joanna Schneider）和化学与生物工程学教授罗德尼·普雷斯特利（Rodney Priestley），以及创新副院长。
他们测试了两种类型的颗粒，“粘性”和“非粘性”，与环境中发现的实际微塑料类型相对应。令人惊讶的是，他们发现流程本身没有区别；也就是说，在足够高的流体压力下，它们仍然会堵塞和疏通。唯一的区别是簇形成的位置。“非粘性”颗粒倾向于仅在狭窄的通道处被卡住，而粘性颗粒似乎能够被困在他们遇到的固体介质的任何表面上。由于这些动力学的结果，现在很明显，即使是“粘性”颗粒也可以在大面积和数百个孔中散布。
在论文中，研究人员描述了将荧光聚苯乙烯微粒和流体泵入Datta实验室开发的透明多孔介质中，然后在显微镜下观察微粒运动的情况。聚苯乙烯是构成泡沫聚苯乙烯的塑料微粒，通常会通过运输材料和快餐容器撒到土壤和水道中。他们创造的多孔介质非常类似于天然介质的结构，包括土壤，沉积物和地下水含水层。
通常，多孔介质是不透明的，因此无法看到微粒在做什么或它们如何流动。研究人员通常会测量媒体进出的内容，并试图推断出媒体内部正在发生的过程。通过制造透明的多孔介质，研究人员克服了这一限制。
巴黎理工学院的教授，流变学专家菲利普·库索（Philippe Coussot）说：“达塔和同事们打开了黑匣子。”
“我们采用了使媒体透明化的技巧。然后，通过使用荧光微粒，我们可以使用显微镜实时观察其动态。”达塔说。“令人高兴的是，我们实际上可以看到不同实验条件下单个粒子的作用。”
Coussot将这项研究描述为“卓越的实验方法”，该研究表明，尽管发泡聚苯乙烯微粒确实卡在了点上，但最终还是被推开了，并在实验过程中在介质的整个长度范围内移动。
最终目标是使用这些粒子观测值来改善大型模型的参数，以预测污染的数量和位置。这些模型将基于不同类型的多孔介质以及不同的粒径和化学性质，并有助于更准确地预测各种灌溉，降雨或环境流量条件下的污染。这项研究可以帮助为数学模型提供信息，以更好地了解粒子经过一定距离并到达易受伤害的目的地（例如附近的农田，河流或含水层）的可能性。研究人员还研究了微塑料颗粒的沉积如何影响介质的渗透性，包括存在微颗粒时灌溉用水如何容易地流过土壤。
达塔说，就研究人员现在可以研究的颗粒和应用而言，该实验是冰山一角。Datta说：“现在，我们在如此简单的系统中发现了令人惊讶的东西，我们很高兴看到对更复杂的系统有何影响。”
他说，例如，该原理可以深入了解粘土，矿物质，谷物，石英，病毒，微生物和其他颗粒如何在具有复杂表面化学性质的介质中运动。
这些知识还将帮助研究人员了解如何部署工程化的纳米颗粒来修复受污染的地下水蓄水层，这些地下水蓄水层可能是从工厂，农场或城市废水中泄漏出来的。
达塔说，除环境补救措施外，该发现还适用于从药物输送到过滤机制等各行各业的过程，实际上是任何颗粒在其中流动和积累的介质。
参考：Navid Bizmark，Joanna Schneider，Rodney D.Priestley和Sujit S.Datta撰写的“多孔介质中胶体沉积和侵蚀的多尺度动力学”，2020年11月13日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.abc2530
这项工作得到了High Meadows环境研究所的“大挑战倡议”，工程和应用科学学院的Alfred Rheinstein教授奖以及普林斯顿复杂材料中心Navid Bizmark的博士后奖学金的支持。
