Pesquisadores da Universidade de Warwick desenvolveram um novo método que permite 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 os movimentos das partículas sem depender de suposições excessivamente complexas.
Todos os dias, os humanos 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 na corrente sanguínea. A exposição está associada a graves problemas de saúde, incluindo doenças cardíacas, acidentes vasculares cerebrais e cancro.
A maioria das partículas transportadas pelo ar não possui formas suaves ou simétricas. No entanto, os modelos matemáticos tradicionais geralmente assumem que estas partículas são esferas perfeitas porque as formas esféricas tornam 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 desenvolveu agora o primeiro método simples que pode prever como partículas de praticamente qualquer formato se movem no ar. Pesquisa, publicada Jornal de corredeiras de mecânica de fluidosAtualiza uma fórmula com mais de 100 anos e aborda 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 era simples: se pudermos prever com precisão como as partículas de qualquer forma se movem, poderemos melhorar significativamente os modelos de poluição do ar, transmissão de doenças e até mesmo química atmosférica. Esta nova abordagem baseia-se num modelo muito antigo – que pode criar aplicações poderosas e complexas – de partículas.”
Uma correção de supervisão importante na física dos aerossóis
A inovação vem de uma nova visão de uma ferramenta fundamental na ciência dos aerossóis conhecida como fator de correção de Cunningham. Introduzido pela primeira vez em 1910, o fator de correção foi projetado para explicar como as forças de arrasto em pequenas partículas diferem do comportamento clássico dos fluidos.
Na década de 1920, o ganhador do Nobel Robert Millikan refinou a fórmula. Durante esse processo, uma solução mais simples e geral foi esquecida. Por esta razão, versões posteriores das equações foram restritas a partículas puramente esféricas, limitando a sua utilidade para condições do mundo real.
O trabalho do Professor Lockerbie reformula a ideia original de Cunningham de uma forma mais ampla e flexível. A partir desta estrutura revisada, ele introduziu um “tensor de correção” – uma ferramenta matemática que explica o arrasto e a resistência que atuam em partículas de qualquer formato, incluindo esferas e discos finos. É importante ressaltar que o método não depende de parâmetros de ajuste experimental.
O professor Duncan Lockerbie acrescentou:”Este artigo trata de recapturar o espírito original do trabalho de Cunningham de 1910. Ao generalizar o seu fator de correção, podemos agora fazer previsões precisas para partículas de quase qualquer forma – sem a necessidade de simulações intensivas ou ajustes empíricos.
“Isso fornece a primeira estrutura para prever com precisão como as partículas não esféricas viajam pelo ar, e uma vez que essas nanopartículas estão intimamente ligadas à poluição do ar e ao risco de câncer, este é um passo importante 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 sólida para a compreensão de como as partículas transportadas pelo 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 pelas cidades, como a fumaça dos incêndios florestais ou as cinzas vulcânicas viajam pela atmosfera e como as nanopartículas projetadas se comportam em aplicações industriais e médicas.
Para expandir este trabalho, a Escola de Engenharia de Warwick investiu em um novo sistema de geração de aerossóis de última geração. A instalação permitirá aos pesquisadores criar e estudar de perto uma ampla gama 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 está colaborando com o professor Lockerbie, disse: “Esta nova instalação nos permitirá explorar como as partículas transportadas pelo ar no mundo real se comportam sob condições controladas, ajudando a traduzir esses avanços teóricos em ferramentas ambientais práticas.”
