Un nuevo método desarrollado en la Universidad de Warwick ofrece una forma innovadora y predictiva de calcular el movimiento de nanopartículas con formas irregulares, que representan una clase peligrosa de contaminantes en el aire. Esta investigación, publicada en el Journal of Fluid Mechanics, aborda una cuestión crítica en la ciencia de aerosoles que ha permanecido sin resolver durante más de un siglo.
Diariamente, inhalamos millones de partículas microscópicas, incluyendo hollín, polvo, polen, microplásticos, virus y nanopartículas sintéticas. Algunas de estas 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. La mayoría de estos contaminantes del aire son irregulares en su forma, pero los modelos matemáticos que se utilizan para predecir su comportamiento asumen, por conveniencia, que son esferas perfectas, lo que complica el monitoreo y la predicción de su movimiento en el mundo real.
Reformulando un enfoque centenario
El avance radica en la reexaminación de un pilar fundamental de la ciencia de aerosoles: el factor de corrección Cunningham, desarrollado en 1910. Esta fórmula fue diseñada para predecir cómo la resistencia al arrastre en partículas diminutas se desvía de las leyes clásicas de fluidos. Sin embargo, a lo largo de los años, su aplicación se limitó a partículas esféricas, lo que restringió su utilidad en el análisis de partículas con formas irregulares.
El autor del estudio, el profesor Duncan Lockerby, de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, ha reformulado la idea original de Cunningham en una forma más general y elegante. Introduciendo un «tensor de corrección», un instrumento matemático que capta la gama completa de fuerzas de arrastre y resistencia que actúan sobre partículas de cualquier forma, se elimina la necesidad de parámetros de ajuste empíricos. Según el profesor Lockerby, «Esta investigación busca recuperar el espíritu original del trabajo de Cunningham de 1910. Al generalizar su factor de corrección, ahora podemos hacer predicciones precisas para partículas de casi cualquier forma, sin la necesidad de simulaciones intensivas o ajustes empíricos.»
Este nuevo modelo proporciona una base más sólida para comprender cómo se mueven las partículas en el aire, abarcando campos que van desde la calidad del aire y la modelización climática hasta la nanotecnología y la medicina. Puede ayudar a los investigadores a predecir mejor cómo se propagan los contaminantes en las ciudades, cómo viaja la ceniza volcánica o el humo de incendios forestales, y cómo se comportan las nanopartículas en sistemas de fabricación y entrega de medicamentos.
Para consolidar este avance, la Escuela de Ingeniería de Warwick ha invertido en un nuevo sistema de generación de aerosoles de última generación. Esta instalación permitirá a los investigadores generar y estudiar de manera precisa una gama más amplia de partículas no esféricas del mundo real, validando y extendiendo así el nuevo método desarrollado.
El profesor Julian Gardner, también de la Escuela de Ingeniería de Warwick y colaborador del profesor Lockerby, ha señalado que «esta nueva instalación nos permitirá explorar cómo se comportan las partículas en el aire en condiciones controladas, ayudando a traducir este avance teórico en herramientas prácticas para el medio ambiente.»
