L'inquinamento da plastica è onnipresente oggi, con particelle di microplastiche provenienti da prodotti usa e getta presenti negli ambienti naturali di tutto il mondo, compresa l'Antartide. Ma il modo in cui queste particelle si muovono e si accumulano nell'ambiente è poco conosciuto. Ora uno studio dell'Università di Princeton ha rivelato il meccanismo con cui le microplastiche, come il polistirolo, e le particelle inquinanti vengono trasportate per lunghe distanze attraverso il suolo e altri mezzi porosi, con implicazioni per prevenire la diffusione e l'accumulo di contaminanti nelle fonti alimentari e idriche.

Lo studio, pubblicato in Progressi scientifici il 13 novembre, rivela che le particelle microplastiche si bloccano quando viaggiano attraverso materiali porosi come suolo e sedimenti, ma in seguito si liberano e spesso continuano a spostarsi notevolmente ulteriormente. Identificare questo processo di arresto e riavvio e le condizioni che lo controllano è nuovo, disse Sujit Datta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica e facoltà associata dell'Andlinger Center for Energy and the Environment, l'High Meadows Environmental Institute e il Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. In precedenza, i ricercatori pensavano che quando le microparticelle si bloccavano, generalmente rimanevano lì, che ha limitato la comprensione della diffusione delle particelle.

Datta ha guidato il gruppo di ricerca, che ha scoperto che le microparticelle vengono spinte liberamente quando la velocità del fluido che scorre attraverso il mezzo rimane sufficientemente alta. I ricercatori di Princeton hanno dimostrato che il processo di deposizione, o la formazione di zoccoli, ed erosione, la loro rottura, è ciclico; gli zoccoli si formano e poi vengono rotti dalla pressione del fluido nel tempo e nella distanza, spostando ulteriormente le particelle attraverso lo spazio dei pori fino a riformare gli zoccoli.

"Non solo abbiamo trovato queste fantastiche dinamiche di particelle bloccate, intasato, accumulare depositi e poi essere spinti attraverso, ma quel processo consente alle particelle di diffondersi su distanze molto più grandi di quanto avremmo pensato altrimenti, " disse Datta.

Il team includeva Navid Bizmark, un associato di ricerca post-dottorato presso il Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, studentessa Joanna Schneider, e Rodney Priestley, professore di ingegneria chimica e biologica e vice preside per l'innovazione.

Hanno testato due tipi di particelle, "appiccicoso" e "non appiccicoso, " che corrispondono ai tipi reali di microplastiche presenti nell'ambiente. Sorprendentemente, hanno scoperto che non c'era alcuna differenza nel processo stesso; questo è, entrambi sono ancora intasati e sbloccati a pressioni del fluido sufficientemente elevate. L'unica differenza era dove si formavano i cluster. Le particelle "non appiccicose" tendevano ad incastrarsi solo in passaggi stretti, mentre quelli appiccicosi sembravano essere in grado di rimanere intrappolati su qualsiasi superficie del mezzo solido che incontravano. Per effetto di queste dinamiche, è ormai chiaro che anche le particelle "appiccicose" possono diffondersi su vaste aree e attraverso centinaia di pori.

Nella carta, i ricercatori descrivono il pompaggio di microparticelle di polistirene fluorescente e fluido attraverso un mezzo poroso trasparente sviluppato nel laboratorio di Datta, e poi osservare le microparticelle muoversi al microscopio. Il polistirene è la microparticella di plastica che compone il polistirolo, che è spesso disseminato nel suolo e nei corsi d'acqua attraverso materiali di spedizione e contenitori per fast food. I mezzi porosi che hanno creato imitano da vicino la struttura dei mezzi naturali, compresi i suoli, sedimenti, e falde acquifere.

Tipicamente i mezzi porosi sono opachi, quindi non si può vedere cosa stanno facendo le microparticelle o come scorrono. I ricercatori di solito misurano ciò che entra ed esce dai media, e prova a dedurre i processi in corso all'interno. Rendendo trasparenti i mezzi porosi, i ricercatori hanno superato tale limitazione.

"Datta e colleghi hanno aperto la scatola nera, " disse Philippe Coussot, professore all'Ecole des Ponts Paris Tech ed esperto di reologia non affiliato allo studio.

"Abbiamo escogitato trucchi per rendere trasparenti i media. Poi, utilizzando microparticelle fluorescenti, possiamo osservare le loro dinamiche in tempo reale usando un microscopio, " ha detto Datta. "La cosa bella è che possiamo effettivamente vedere cosa stanno facendo le singole particelle in diverse condizioni sperimentali".

Lo studio, che Coussot ha descritto come un "notevole approccio sperimentale, " ha mostrato che sebbene le microparticelle di polistirolo si bloccassero in alcuni punti, alla fine furono liberati, e si è spostato per l'intera lunghezza del supporto durante l'esperimento.

L'obiettivo finale è utilizzare queste osservazioni di particelle per migliorare i parametri per modelli su larga scala per prevedere la quantità e la posizione della contaminazione. I modelli sarebbero basati su vari tipi di mezzi porosi e diverse dimensioni delle particelle e chimiche, e aiutano a prevedere in modo più accurato la contaminazione sotto varie irrigazioni, pioggia, o condizioni di flusso ambiente. La ricerca può aiutare a informare i modelli matematici per comprendere meglio la probabilità che una particella si muova su una certa distanza e raggiunga una destinazione vulnerabile, come un vicino terreno agricolo, fiume o falda acquifera. I ricercatori hanno anche studiato come la deposizione di particelle microplastiche influisca sulla permeabilità del mezzo, compresa la facilità con cui l'acqua per l'irrigazione può fluire attraverso il suolo quando sono presenti microparticelle.

Datta said this experiment is the tip of the iceberg in terms of particles and applications that researchers can now study. "Now that we found something so surprising in a system so simple, we're excited to see what the implications are for more complex systems, " said Datta.

He said, Per esempio, this principle could yield insight into how clays, minerali, grains, quartz, viruses, microbes and other particles move in media with complex surface chemistries.

The knowledge will also help the researchers understand how to deploy engineered nanoparticles to remediate contaminated groundwater aquifers, perhaps leaked from a manufacturing plant, farm, or urban wastewater stream.

Beyond environmental remediation, the findings are applicable to processes across a spectrum of industries, from drug delivery to filtration mechanisms, effectively any media in which particles flow and accumulate, Datta said.