Pesquisadores desvendam enigma centenário na atmosfera que respiramos
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 categoria importante de poluição do ar e sempre foram difíceis de modelar com precisão. A nova abordagem é a primeira que é simples e preditiva, permitindo que os cientistas…
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 categoria importante de poluição do ar e sempre 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.
Cada dia, as pessoas inhalam 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 tem sido relacionada a sérios problemas de saúde, incluindo doenças cardíacas, derrame e câncer.
A maioria das partículas aéreas 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 de equações. Essa simplificação limita a capacidade dos cientistas de rastrear com precisão como partículas do mundo real se comportam, especialmente aquelas com formas irregulares que podem representar maiores riscos à saúde.
Revitalizando uma Equação de um Século para a Ciência Moderna
Um pesquisador da Universidade de Warwick apresentou agora o primeiro método direto que pode prever como partículas de praticamente qualquer forma se movem pelo ar. O estudo, publicado na Journal of Fluid Mechanics Rapids, atualiza uma fórmula que tem mais de 100 anos e aborda uma lacuna importante na ciência dos 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 para poluição do ar, transmissão de doenças e até mesmo química atmosférica. Essa nova abordagem baseia-se em um modelo muito antigo – um que é simples, mas poderoso – tornando-o aplicável a partículas complexas e de formas irregulares.”
Corrigindo um Erro Fundamental na Física de Aerossóis
A descoberta veio de uma nova análise de uma das ferramentas fundamentais 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 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, as versões posteriores da equação permaneceram restritas a partículas que eram perfeitamente esféricas, limitando sua utilidade para 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. Importante, o método não depende de parâmetros de ajuste empíricos.
O Professor Duncan Lockerby acrescentou: “Este artigo 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.
“Isso fornece a 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 é um passo importante tanto para a saúde ambiental quanto para a ciência dos aerossóis.”
O Que Isso Significa para Pesquisa em Poluição, Clima e Saúde
O novo modelo oferece uma base mais sólida para entender como partículas aéreas se movem em uma ampla gama de campos científicos. Estes incluem monitoramento da qualidade do ar, modelagem do clima, nanotecnologia e medicina. A abordagem pode melhorar previsões de como a poluição se espalha pelas cidades, como a fumaça de incêndios florestais ou cinzas vulcânicas viajam pela 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 que os pesquisadores criem e estudem 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 práticas para o meio ambiente.”
