Investigadores de la Universidad de Warwick han desarrollado un nuevo método que permite predecir cómo se mueven en el aire las nanopartículas de forma irregular. Estas partículas son una categoría importante de contaminación del aire y durante mucho tiempo ha sido difícil modelarlas con precisión. El nuevo método es el primero en ser simple y predictivo, lo que permite a los científicos calcular los movimientos de las partículas sin depender de suposiciones demasiado complejas.
Todos los días, los humanos inhalamos millones de partículas microscópicas, incluidos hollín, polvo, polen, microplásticos, virus y nanopartículas diseñadas. Algunas de estas partículas son tan pequeñas que pueden penetrar profundamente en los pulmones e incluso en el torrente sanguíneo. La exposición está relacionada con problemas de salud graves, como enfermedades cardíacas, accidentes cerebrovasculares y cáncer.
La mayoría de las partículas en el aire no tienen una forma suave o simétrica. Sin embargo, los modelos matemáticos tradicionales suelen suponer que estas partículas son esferas perfectas porque las formas esféricas hacen que las ecuaciones sean más fáciles de resolver. Esta simplificación limita la capacidad de los científicos para rastrear con precisión cómo se comportan las partículas del mundo real, especialmente aquellas con formas irregulares que pueden representar mayores riesgos para la salud.
Reviviendo una ecuación centenaria para la ciencia moderna
Un investigador de la Universidad de Warwick ha desarrollado el primer método sencillo que puede predecir cómo se mueven partículas de prácticamente cualquier forma en el aire. Investigación, publicada Revista de rápidos de mecánica de fluidosActualiza una fórmula que tiene más de 100 años y aborda una brecha importante en la ciencia de los aerosoles.
El autor del artículo, profesor Duncan Lockerbie, Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, dijo: “La motivación era simple: si podemos predecir con precisión cómo se mueven las partículas de cualquier forma, podemos mejorar significativamente los modelos de contaminación del aire, transmisión de enfermedades e incluso química atmosférica. Este nuevo enfoque se basa en un modelo muy antiguo, que puede crear aplicaciones potentes y complejas, de partículas”.
Una corrección de supervisión clave en la física de aerosoles
El avance proviene de una nueva mirada a una herramienta fundamental en la ciencia de los aerosoles conocida como factor de corrección de Cunningham. Introducido por primera vez en 1910, el factor de corrección fue diseñado para explicar cómo las fuerzas de arrastre sobre partículas pequeñas difieren del comportamiento clásico de los fluidos.
En la década de 1920, el premio Nobel Robert Millikan perfeccionó la fórmula. Durante ese proceso, se pasó por alto una solución más simple y general. Por esta razón, las versiones posteriores de las ecuaciones se limitaron a partículas puramente esféricas, lo que limitó su utilidad en las condiciones del mundo real.
El trabajo del profesor Lockerbie reformula la idea original de Cunningham de una forma más amplia y flexible. A partir de este marco revisado, introdujo un “tensor de corrección”, una herramienta matemática que tiene en cuenta el arrastre y la resistencia que actúan sobre partículas de cualquier forma, incluidas esferas y discos delgados. Es importante destacar que el método no depende de los parámetros de ajuste experimentales.
El profesor Duncan Lockerbie añadió: “Este artículo trata de recuperar el espíritu original del trabajo de Cunningham de 1910. Al generalizar su factor de corrección, ahora podemos hacer predicciones precisas para partículas de casi cualquier forma, sin la necesidad de simulaciones intensivas o ajustes empíricos.
“Esto proporciona el primer marco para predecir con precisión cómo las partículas no esféricas viajan a través del aire, y dado que estas nanopartículas están estrechamente relacionadas con la contaminación del aire y el riesgo de cáncer, este es un paso importante tanto para la salud ambiental como para la ciencia de los aerosoles”.
Qué significa esto para la investigación sobre contaminación, clima y salud
El nuevo modelo proporciona una base sólida para comprender cómo se mueven las partículas en el aire en una amplia gama de campos científicos. Entre ellos se incluyen el seguimiento de la calidad del aire, la modelización climática, la nanotecnología y la medicina. El método podría mejorar las predicciones sobre cómo se propaga la contaminación por las ciudades, cómo el humo de los incendios forestales o las cenizas volcánicas viajan a través de la atmósfera y cómo se comportan las nanopartículas diseñadas en aplicaciones industriales y médicas.
Para ampliar este trabajo, la Escuela de Ingeniería de Warwick ha invertido en un nuevo sistema de generación de aerosoles de última generación. La instalación permitirá a los investigadores crear y estudiar de cerca una amplia gama de partículas no esféricas en condiciones controladas, lo que ayudará a validar y perfeccionar nuevos métodos predictivos.
El profesor Julian Gardner, de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, que colabora con el profesor Lockerbie, dijo: “Esta nueva instalación nos permitirá explorar cómo se comportan las partículas en el aire en el mundo real en condiciones controladas, lo que ayudará a traducir estos avances teóricos en herramientas ambientales prácticas”.
