Pesquisadores da Universidade de Warwick desenvolveram um novo método para prever como as nanopartículas de formato irregular se movem no ar. Essas partículas são uma categoria importante de poluição do ar e há muito tempo são difíceis de modelar com precisão. O novo método é o primeiro a ser simples e preditivo, permitindo aos cientistas calcular o movimento das partículas sem depender de suposições excessivamente complexas.
Todos os dias, as pessoas inalam milhões de partículas microscópicas, incluindo fuligem, poeira, pólen, microplásticos, vírus e nanopartículas artificiais. Algumas dessas partículas são tão pequenas que podem penetrar profundamente nos pulmões e até entrar na corrente sanguínea. A exposição tem sido associada a graves problemas de saúde, incluindo doenças cardíacas, acidentes vasculares cerebrais e cancro.
A maioria das partículas transportadas pelo ar não tem formato liso ou simétrico. No entanto, os modelos matemáticos tradicionais muitas vezes assumem que estas partículas são esferas perfeitas porque a forma esférica torna as equações mais fáceis de resolver. Esta simplificação limita a capacidade dos cientistas de acompanhar com precisão o comportamento das partículas do mundo real, especialmente aquelas com formas irregulares que podem representar maiores riscos para a saúde.
Revivendo uma equação centenária para a ciência moderna
Um pesquisador da Universidade de Warwick revelou agora o primeiro método direto para prever como partículas de quase qualquer formato se moverão no ar. O estudo foi publicado em Jornal de corredeiras de mecânica de fluidosatualizando uma fórmula com mais de 100 anos e abordando uma grande lacuna na ciência dos aerossóis.
O autor do artigo, Professor Duncan Lockerbie, da Escola de Engenharia da Universidade de Warwick, disse: “A motivação é simples: se pudéssemos prever com precisão como as partículas de qualquer forma se movem, poderíamos melhorar significativamente os modelos de poluição do ar, transmissão de doenças e até mesmo química atmosférica. Esta nova abordagem baseia-se em um modelo muito antigo – simples, mas poderoso – tornando-o aplicável a partículas complexas e de formato irregular. “
Corrigindo um descuido crítico na física dos aerossóis
O avanço vem da revisão de uma das ferramentas fundamentais da ciência dos aerossóis, o fator de correção de Cunningham. Os fatores de correção foram introduzidos pela primeira vez em 1910 para explicar como as forças de arrasto em partículas minúsculas diferem do comportamento clássico dos fluidos.
Na década de 1920, o ganhador do Prêmio Nobel, Robert Millikan, refinou a fórmula. No processo, uma correção mais simples e geral foi ignorada. Como resultado, versões posteriores das equações ainda estavam limitadas a partículas perfeitamente esféricas, limitando a sua utilidade em condições do mundo real.
O trabalho do professor Lockerbie reestruturou as ideias originais de Cunningham numa forma mais ampla e flexível. A partir desta estrutura revisada, ele introduziu o “tensor de correção” – uma ferramenta matemática que pode explicar as forças de arrasto e resistência que atuam em partículas de qualquer formato, incluindo esferas e discos finos. É importante ressaltar que este método não depende de parâmetros de ajuste empíricos.
O professor Duncan Lockerbie acrescentou:”Este artigo visa recapturar o espírito original do trabalho de Cunningham de 1910. Ao generalizar seus fatores de correção, podemos agora fazer previsões precisas para partículas de quase qualquer formato, sem a necessidade de simulações intensivas ou ajustes empíricos.
“Ele fornece a primeira estrutura para prever com precisão como as partículas não esféricas se espalham pelo ar, e uma vez que essas nanopartículas estão fortemente ligadas à poluição do ar e ao risco de câncer, este é um importante passo em frente tanto para a saúde ambiental quanto para a ciência dos aerossóis.”
O que isso significa para a pesquisa sobre poluição, clima e saúde
O novo modelo fornece uma base mais sólida para a compreensão de como as partículas no ar se movem em uma ampla gama de campos científicos. Estes incluem monitoramento da qualidade do ar, modelagem climática, nanotecnologia e medicina. O método pode melhorar as previsões de como a poluição se espalha nas cidades, como a fumaça dos incêndios florestais ou as cinzas vulcânicas se espalham pela atmosfera e como as nanopartículas projetadas se comportam em aplicações industriais e médicas.
Para expandir este trabalho, a Warwick Engineering investiu em um novo sistema de geração de aerossóis de última geração. A instalação permitirá aos pesquisadores criar e estudar cuidadosamente uma variedade de partículas não esféricas sob condições controladas, ajudando a validar e refinar novos métodos preditivos.
O professor Julian Gardner, da Escola de Engenharia da Universidade de Warwick, que colaborou com o professor Lockerbie, disse: “Esta nova instalação nos permitirá explorar o comportamento de partículas transportadas pelo ar no mundo real sob condições controladas, ajudando a traduzir este avanço teórico em uma ferramenta ambiental prática.”
