Un investigador de la Universidad de Warwick ha desarrollado un método innovador que permite calcular de manera sencilla y predictiva el movimiento de nanopartículas de forma irregular, consideradas una clase peligrosa de contaminantes atmosféricos.
Cada día, inhalamos millones de partículas microscópicas, que incluyen hollín, polvo, polen, microplásticos, virus y nanopartículas sintéticas. Algunas de estas partículas son lo suficientemente pequeñas como para penetrar profundamente en los pulmones e incluso ingresar al torrente sanguíneo, contribuyendo a enfermedades como problemas cardíacos, accidentes cerebrovasculares y cáncer.
A pesar de que la mayoría de estas partículas aéreas tienen formas irregulares, los modelos matemáticos utilizados para predecir su comportamiento suelen asumir que son esferas perfectas. Esta simplificación se debe a que las ecuaciones resultan más fáciles de resolver, lo que dificulta la monitorización o predicción del movimiento de partículas no esféricas —y a menudo más peligrosas— en el mundo real.
Innovación en la ciencia de aerosoles
El nuevo enfoque del investigador se basa en la reformulación de una fórmula centenaria para cerrar una brecha clave en la ciencia de aerosoles. Este estudio ha sido publicado en el Journal of Fluid Mechanics Rapids.
El autor del estudio, el profesor Duncan Lockerby, de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, comentó: “La motivación fue simple: si podemos predecir con precisión cómo se mueven las partículas de cualquier forma, podemos mejorar significativamente los modelos sobre contaminación del aire, transmisión de enfermedades e incluso química atmosférica. Este nuevo enfoque se basa en un modelo muy antiguo —que es simple pero poderoso— haciéndolo aplicable a partículas complejas e irregulares.”
Revisando un factor fundamental
El avance proviene del examen detallado del factor de corrección Cunningham, uno de los pilares fundamentales en la ciencia de aerosoles. Desarrollado en 1910 para predecir cómo el arrastre sobre partículas diminutas se desvía de las leyes clásicas del fluido, este factor fue refinado en los años 20 por el ganador del Premio Nobel Robert Millikan; sin embargo, su versión moderna quedó limitada a partículas perfectamente esféricas debido a una omisión importante.
La nueva investigación del profesor Lockerby reformula la idea original del factor Cunningham en una forma más general y elegante. Desde esta base, introduce un "tensor de corrección", una herramienta matemática que captura toda la gama de fuerzas de arrastre y resistencia que actúan sobre partículas con cualquier forma.
Perspectivas futuras y aplicaciones prácticas
El profesor Lockerby añadió: “Este artículo busca recuperar el espíritu original del trabajo realizado por Cunningham en 1910. Al generalizar su factor corrector, ahora podemos hacer predicciones precisas para partículas casi cualquier forma —sin necesidad de simulaciones intensivas o ajustes empíricos.”
El nuevo modelo proporciona una base más sólida para entender cómo se mueven las partículas aéreas en diversos campos desde la calidad del aire hasta la modelización climática y la medicina. Podría ayudar a los investigadores a prever mejor cómo se propagan los contaminantes por las ciudades o cómo se comportan las nanopartículas diseñadas en sistemas industriales y terapias farmacológicas.
Para potenciar este avance, la Escuela de Ingeniería de Warwick ha invertido en un sistema moderno para generar aerosoles. Esta instalación permitirá a los investigadores crear y estudiar con precisión una gama más amplia de particulados no esféricos reales, validando y ampliando así el nuevo método.
El profesor Julian Gardner, también parte del equipo colaborador con Lockerby, afirmó: “Esta nueva instalación nos permitirá explorar cómo se comportan las partículas aéreas reales bajo condiciones controladas, ayudando a traducir este avance teórico en herramientas prácticas para el medio ambiente.”
El artículo titulado “A correction tensor for approximating drag on slow-moving particles of arbitrary shape and Knudsen number” ha sido publicado en el Journal of Fluid Mechanics Rapids.
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