Nuevo modelo matemático predice cómo se comportan las nanopartículas que contaminan el aire

Las muertes causadas por la contaminación del aire siguen preocupando a la comunidad científica y a las autoridades de salud pública en todo el planeta.

Según los últimos datos divulgados por la ONU, en 2021 se registraron 8,1 millones de fallecimientos en el mundo, asociados en gran parte a la inhalación de nanopartículas tan pequeñas que logran esquivar las defensas del cuerpo humano.

En este contexto, un grupo de investigadores de la Universidad de Warwick, en el Reino Unido, desarrolló una herramienta clave para enfrentar este problema global. Se trata de un modelo matemático capaz de estimar la trayectoria y el comportamiento en el aire de nanopartículas, una innovación que podría redefinir las bases del estudio sobre la contaminación, la salud ambiental y la dinámica atmosférica.

La investigación, liderada por Duncan Lockerby, científico de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, fue publicada en la revista Journal of Fluid Mechanics Rapids.

Nanopartículas invisibles, un impacto real

Millones de nanopartículas flotan en el aire todos los días: hollín, polvo, polen, microplásticos y virus. Por su tamaño microscópico, pueden alcanzar las zonas más profundas de los pulmones e ingresar al torrente sanguíneo.

Hasta ahora, la mayoría de los modelos científicos suponía que todas las partículas eran esféricas, una simplificación que facilitaba los cálculos, pero que no representaba la complejidad real del ambiente. Esa visión dejaba fuera casi toda la diversidad de formas presentes en la naturaleza, donde las partículas tienen bordes, superficies y geometrías irregulares.

Estas simplificaciones impedían anticipar con precisión cómo se distribuyen y acumulan los contaminantes que más preocupan a la salud pública, y no reflejaban de manera fiable los riesgos de inhalar partículas no esféricas.

El nuevo enfoque de los investigadores de Warwick nació precisamente de esa necesidad. “La motivación era simple: si podemos predecir con precisión cómo se mueven partículas de cualquier forma, podemos mejorar significativamente los modelos de contaminación del aire, transmisión de enfermedades e incluso química atmosférica”, afirmó Lockerby.

Una fórmula de 1910 actualizada para el siglo XXI

La herramienta desarrollada se basa en una ecuación creada en 1910 por el físico John Cunningham, conocida como el “factor de corrección de Cunningham”, que permite calcular cómo la resistencia del aire afecta a partículas diminutas. Décadas más tarde, Robert Millikan, premio Nobel de Física, adaptó esa ecuación para partículas esféricas, dejando fuera otras formas.

El equipo de Lockerby recuperó el concepto original y lo expandió para que sirva para cualquier geometría, introduciendo un tensor de corrección, una fórmula matemática que calcula las fuerzas y resistencias que enfrentan las partículas sin depender de datos experimentales previos ni simulaciones costosas.

Los investigadores comprobaron la solidez del método comparando sus resultados con datos de laboratorio y cálculos ya conocidos para esferas, discos delgados y esferoides. En el caso de partículas esféricas, el margen de error fue inferior al 4%.

Lockerby destacó que el modelo “aporta el primer marco para predecir con precisión cómo viajan las partículas no esféricas por el aire”.

Aplicaciones globales y nuevas perspectivas

El modelo, disponible como código para Matlab, podrá ser utilizado por laboratorios e industrias en todo el mundo. Su aplicación abarca desde la predicción de dispersión de contaminantes urbanos, el seguimiento de cenizas o humo de incendios, hasta el desarrollo de fármacos basados en nanopartículas.

El método también promete mejorar los sistemas de monitoreo de la calidad del aire.

Además, la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick abrió un nuevo laboratorio para experimentar con partículas de distintas formas bajo condiciones controladas. El objetivo es comprobar la eficacia del modelo y facilitar su uso en comunidades científicas de otros países.

Los investigadores propusieron que su herramienta se utilice en estudios ambientales, desarrollo de tecnologías más seguras y en la elaboración de regulaciones sobre aire limpio. No obstante, aclararon que aún deben realizarse pruebas adicionales con partículas de formas más extremas o en escenarios donde interactúan múltiples partículas.

Lockerby subrayó que los resultados de la investigación “representan un avance importante tanto para la salud ambiental como para la ciencia de aerosoles”.