미세먼지가 공기 중을 어떻게 이동하는지 시뮬레이션하는 선구적인 방법이 개발되어 대기 오염을 퇴치하는 노력이 촉진될 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 연구자들은 배기가스, 산불 연기 및 기타 형태의 대기 오염에서 발견되는 작은 입자는 뇌졸중, 심장병, 암과 같은 심각한 건강 문제와 관련이 있지만, 이들이 어떻게 이동하는지 예측하는 것은 매우 어렵다고 말해 왔다. 이제 과학자들은 소위 나노입자가 공기 중에서 어떻게 작용하는지 시뮬레이션하는 정확도와 효율성을 획기적으로 향상하는 새로운 컴퓨터 모형화 접근법을 개발했다. 실제로 이는 현재 몇 주가 걸리는 시뮬레이션을 단 몇 시간 만에 완료할 수 있다는 것을 의미한다고 연구팀은 말한다.

연구자들은 신체의 자연적인 방어 시스템을 우회할 만큼 작은 이러한 입자의 행동을 더 잘 이해하면 대기 오염을 모니터링하는 더 정확한 방법을 찾을 수 있다고 말한다. 에든버러 대학과 워릭 대학의 연구진은 영국의 국가 슈퍼컴퓨터 ARCHER2를 사용하여 입자의 이동을 제어하는 ​​주요 요소(항력이라고 함)를 기존 기술보다 최대 4,000배 빠르게 계산하는 방법을 개발했다. 이 팀의 접근 방식의 핵심은 나노입자 주변에서 공기가 흐르는 방식을 모델링하는 새로운 방법다. 이 솔루션은 나노입자에 의해 발생하는 공기 교란이 거리에 따라 어떻게 사라지는지에 기반한 수학적 해법을 포함한다. 시뮬레이션에 적용하면 연구자들은 정확도를 떨어뜨리지 않고 입자에 훨씬 더 가까이 다가갈 수 있다.

연구팀은 이 방법이 주변의 광대한 공기 영역을 시뮬레이션하여 방해받지 않는 공기 흐름을 모방하고 훨씬 더 많은 컴퓨팅 성능을 요구하는 현재의 방법과 다르며, 나노 스케일에서 빠르고 정확한 시뮬레이션을 가능하게 함으로써 새로운 접근 방식은 이러한 입자가 신체 내부에서 어떻게 작용할지 더 잘 예측하는 데 도움이 될 수 있다고 밝혔다. 이러한 발전이 향상된 대기 오염 모니터링 도구의 개발을 잠재적으로 도울 뿐만 아니라, 실험실에서 제작한 표적 약물 전달용 입자 등 나노입자 기반 기술의 설계에도 정보를 제공할 수 있다고 덧붙였다.

Journal of Computational Physics에 게재된 이 연구는 공학 및 물리과학 연구 위원회(EPSRC)의 지원을 받았다.

에든버러 대학교 공과대학의 주저자 기오르고스 타치오스 박사는 “나노미터 크기의 공기 중 입자는 인체 건강에 가장 해로운 물질 중 하나이지만, 모델링하기도 가장 어렵습니다. 저희 방법을 사용하면 복잡한 흐름 속에서 입자의 거동을 훨씬 더 효율적으로 시뮬레이션할 수 있으며, 이는 입자의 이동 경로와 그 영향을 완화하는 방법을 이해하는 데 매우 중요합니다.”라고 말했다.

워릭 대학교 공학부의 던컨 로커비 교수는 “이러한 접근 방식은 독성 입자가 도시의 거리에서 사람의 폐에 이르기까지 공기 중을 이동하는 방식과 고급 센서 및 청정실 환경에서 이러한 입자가 어떻게 작용하는지 모델링하는 데 있어 새로운 수준의 정확도를 제공할 수 있습니다.”라고 덧붙였다.

참조:
Giorgos Tatsios, Nikos Vasileiadis, Livio Gibelli, Matthew K. Borg, Duncan A. Lockerby. A far-field boundary condition for measuring drag force on micro/nano particles. Journal of Computational Physics, 2025; 535: 114034 DOI: 10.1016/j.jcp.2025.114034