Pesquisadores da Universidade de Warwick desenvolveram um novo método que torna possível prever como nanopartículas de formas irregulares se movem pelo ar. Essas partículas são uma das principais categorias de poluição do ar e, por muito tempo, foram difíceis de modelar com precisão. A nova abordagem é a primeira que é simples e preditiva, permitindo que os cientistas calculem o movimento das partículas sem depender de suposições excessivamente complexas.
Diariamente, as pessoas inalam milhões de partículas microscópicas, incluindo fuligem, poeira, pólen, microplásticos, vírus e nanopartículas engenheiradas. Algumas dessas partículas são tão pequenas que podem penetrar profundamente nos pulmões e até entrar na corrente sanguínea. A exposição a essas partículas está relacionada a sérios problemas de saúde, incluindo doenças cardíacas, derrames e câncer.
A maioria das partículas no ar não possui formas suaves ou simétricas. No entanto, modelos matemáticos tradicionais geralmente assumem que essas partículas são esferas perfeitas, pois formas esféricas facilitam a resolução das equações. Essa simplificação limita a capacidade dos cientistas de rastrear com precisão o comportamento das partículas do mundo real, especialmente aquelas com formas irregulares que podem representar riscos maiores à saúde.
Revitalizando uma Equação Centenária para a Ciência Moderna
Um pesquisador da Universidade de Warwick agora introduziu o primeiro método direto que pode prever como partículas de praticamente qualquer forma se movem pelo ar. O estudo, publicado no Journal of Fluid Mechanics Rapids, atualiza uma fórmula que tem mais de 100 anos e aborda uma lacuna importante na ciência de aerossóis.
O autor do artigo, Professor Duncan Lockerby, da Escola de Engenharia da Universidade de Warwick, disse: “A motivação foi simples: se pudermos prever com precisão como partículas de qualquer forma se movem, podemos melhorar significativamente os modelos de poluição do ar, transmissão de doenças e até mesmo química atmosférica. Esta nova abordagem se baseia em um modelo muito antigo – que é simples, mas poderoso – tornando-o aplicável a partículas complexas e de formas irregulares.”
Corrigindo um Erro Chave na Física de Aerossóis
A grande descoberta foi fruto de uma nova análise de uma das ferramentas fundamentais na ciência de 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 partículas minúsculas diferem do comportamento clássico dos fluidos.
Na década de 1920, o vencedor do Prêmio Nobel Robert Millikan refinou a fórmula. Durante esse processo, uma correção mais simples e geral foi negligenciada. Por causa disso, versões posteriores da equação permaneceram restritas a partículas perfeitamente esféricas, limitando sua utilidade em condições do mundo real.
O trabalho do Professor Lockerby reestrutura a ideia original de Cunningham em uma forma mais ampla e flexível. A partir dessa estrutura revisada, ele introduz um “tensor de correção” – uma ferramenta matemática que leva em conta o arrasto e a resistência atuando sobre partículas de qualquer forma, incluindo esferas e discos finos. É importante ressaltar que o método não depende de parâmetros de ajuste empírico.
O Professor Duncan Lockerby acrescentou: “Este artigo se trata de recuperar o espírito original do trabalho de Cunningham de 1910. Ao generalizar seu fator de correção, agora podemos fazer previsões precisas para partículas de quase qualquer forma – sem a necessidade de simulações intensivas ou ajustes empíricos.”
“Trata-se da primeira estrutura para prever com precisão como partículas não esféricas viajam pelo ar e, uma vez que essas nanopartículas estão intimamente ligadas à poluição do ar e ao risco de câncer, isso representa um avanço importante tanto para a saúde ambiental quanto para a ciência de aerossóis.”
O Que Isso Significa para a Pesquisa em Poluição, Clima e Saúde
O novo modelo oferece uma base mais sólida para entender como as partículas aéreas se movem em uma ampla gama de campos científicos. Estes incluem monitoramento da qualidade do ar, modelagem climática, nanotecnologia e medicina. A abordagem pode melhorar as previsões de como a poluição se espalha pelas cidades, como a fumaça de incêndios florestais ou cinzas vulcânicas se desloca na atmosfera e como nanopartículas engenheiradas se comportam em aplicações industriais e médicas.
Para expandir esse 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 variedade de partículas não esféricas em condições controladas, ajudando a validar e refinar o novo método preditivo.
O Professor Julian Gardner, da Escola de Engenharia da Universidade de Warwick, que está colaborando com o Professor Lockerby, disse: “Esta nova instalação nos permitirá explorar como partículas aéreas do mundo real se comportam em condições controladas, ajudando a traduzir essa descoberta teórica em ferramentas ambientais práticas.”