La capacità di prevedere con accuratezza il movimento delle particelle irregolari nell'atmosfera rappresenta da decenni una sfida cruciale per la scienza degli aerosol. Questi minuscoli frammenti di materia – che includono fuliggine, polveri, pollini, microplastiche, virus e nanoparticelle ingegnerizzate – costituiscono una componente essenziale dell'inquinamento atmosferico e sono stati associati a gravi patologie cardiovascolari, ictus e tumori. Ora, un team di ricerca dell'Università di Warwick ha sviluppato il primo metodo semplice e predittivo che consente di calcolare il movimento di nanoparticelle di forma praticamente qualsiasi, superando i limiti delle approssimazioni sferiche utilizzate finora. Lo studio, pubblicato sulla rivista Journal of Fluid Mechanics Rapids, rivoluziona un modello matematico vecchio di oltre un secolo e apre nuove prospettive nella comprensione del comportamento delle particelle aerodisperse.
Il nocciolo della questione risiede in un paradosso metodologico che ha caratterizzato la fisica degli aerosol per generazioni. La stragrande maggioranza delle particelle sospese nell'aria non presenta forme lisce o simmetriche, eppure i modelli matematici tradizionali le trattano come sfere perfette. Questa semplificazione, sebbene renda le equazioni più trattabili, limita drasticamente la capacità degli scienziati di tracciare con precisione il comportamento delle particelle reali, specialmente quelle con morfologie irregolari che possono rappresentare rischi sanitari superiori. Ogni giorno gli esseri umani inalano milioni di queste particelle microscopiche, alcune talmente piccole da penetrare in profondità nei polmoni e persino entrare nel circolo sanguigno.
La soluzione proposta dal professor Duncan Lockerby, della School of Engineering dell'Università di Warwick, affonda le radici in un ritorno alle origini. Il ricercatore ha riesaminato uno degli strumenti fondamentali della scienza degli aerosol: il fattore di correzione di Cunningham, introdotto per la prima volta nel 1910 per spiegare come le forze di resistenza su particelle minuscole differiscano dal comportamento fluidodinamico classico. Negli anni Venti del secolo scorso, il premio Nobel Robert Millikan raffinò la formula, ma durante quel processo una correzione più semplice e generale venne trascurata, limitando le versioni successive dell'equazione alle sole particelle perfettamente sferiche.
Il contributo metodologico centrale dello studio consiste nella ristrutturazione dell'idea originale di Cunningham in una forma più ampia e flessibile. Da questo quadro rivisto, Lockerby introduce un tensore di correzione, uno strumento matematico che tiene conto della resistenza e delle forze di trascinamento che agiscono su particelle di qualsiasi geometria, dalle sfere ai dischi sottili. L'aspetto rivoluzionario della metodologia risiede nel fatto che non richiede parametri di adattamento empirico, elemento che storicamente ha complicato i modelli esistenti e ne ha limitato l'applicabilità generale.
Le implicazioni pratiche di questo approccio si estendono attraverso numerosi ambiti scientifici. Nel monitoraggio della qualità dell'aria, il nuovo modello potrebbe migliorare significativamente le previsioni sulla diffusione degli inquinanti attraverso gli ambienti urbani. Nella climatologia, consentirebbe una comprensione più accurata di come il fumo degli incendi o le ceneri vulcaniche viaggiano attraverso l'atmosfera. Nel campo della nanotecnologia e della medicina, offrirebbe strumenti più precisi per prevedere il comportamento delle nanoparticelle ingegnerizzate in applicazioni industriali e terapeutiche. Come sottolineato dallo stesso Lockerby, poiché queste nanoparticelle sono strettamente collegate all'inquinamento atmosferico e al rischio oncologico, questo rappresenta un passo avanti importante sia per la salute ambientale che per la scienza degli aerosol.
Per consolidare e ampliare questa linea di ricerca, la School of Engineering di Warwick ha investito in un sistema di generazione di aerosol all'avanguardia. Questa nuova infrastruttura consentirà ai ricercatori di creare e studiare in dettaglio un'ampia varietà di particelle non sferiche in condizioni controllate, contribuendo a validare e perfezionare il metodo predittivo. Il professor Julian Gardner, che collabora con Lockerby al progetto, evidenzia come questa struttura permetterà di esplorare il comportamento delle particelle aerodisperse reali in ambiente controllato, traducendo la svolta teorica in strumenti ambientali pratici.
Il carattere innovativo del lavoro non risiede soltanto nella soluzione matematica proposta, ma anche nell'approccio filosofico alla modellistica scientifica. Mentre la tendenza contemporanea privilegia simulazioni computazionali sempre più complesse, questo studio dimostra come il ritorno a principi fondamentali – opportunamente reinterpretati – possa produrre risultati eleganti e applicabili. La capacità di prevedere accuratamente il movimento di particelle di forma arbitraria senza ricorrere ad assunzioni eccessivamente complesse o a costosi calcoli numerici rappresenta un cambio di paradigma per l'intera comunità scientifica che si occupa di qualità dell'aria, chimica atmosferica e trasmissione di agenti patogeni.
Le prospettive future della ricerca includono l'applicazione del modello a scenari ambientali specifici, dalla dispersione di particolato fine nelle metropoli alla dinamica degli aerosol negli ambienti interni, dove l'esposizione può essere particolarmente intensa. La validazione sperimentale attraverso il nuovo sistema di generazione di aerosol sarà cruciale per testare le previsioni teoriche su una gamma sempre più ampia di morfologie particellari.
