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El modelado computacional II*

Ernesto Chigo Anota**

Es preciso hacer notar la importancia que ha adquirido el uso del modelado computacional en los llamados laboratorios virtuales, por eso la necesidad de aludir a un artículo anterior del presente autor, “La simulación computacional”, y dar así a conocer la importancia que tiene el uso del software computacional como reemplazo del experimento.

En efecto, en otro lugar dimos a conocer la importancia que tiene el uso del modelado computacional en los mencionados laboratorios virtuales (Figura 1) desde dos puntos de vista: la química cuántica computacional y la física del estado sólido computacional. El uso de este tipo de herramienta tan variada y cada vez más diversificada ha crecido debido a un software y un hardware cada vez más potentes; ejemplos de ello son la velocidad de procesamiento, el uso de computadoras paralelizables (en un rango de dos a mil procesadores) y otros más.

Basta aclarar que el modelado computacional es muy atractivo actualmente para la química, la física y la ciencia de materiales por su poder predictivo, por lo que es una herramienta, además, de gran ayuda en otras áreas muy diversas.

Hoy damos a conocer en forma esquemática el valor de la simulación computacional en los modelos de algunos sistemas que pueden obtenerse mediante algunos graficadores, así como algunas de sus propiedades.

Aplicabilidad de la simulación computacional

La química cuántica computacional es la modelización cuantitativa de fenómenos de interés químico usando técnicas computacionales. Examinando ese concepto, encontramos que la modelización cuantitativa es la creación de modelos capaces de reproducir la realidad de forma precisa. Estos modelos son los que provee la química teórica. Las técnicas computacionales, a su vez, aluden a la instrumentación eficiente de los modelos y su utilización a través de, y gracias a, la tecnología informática.

Los métodos computacionales (en especial desde la perspectiva de la química, la física y las ciencias de materiales) se uti lizan para resolver problemas reales modelando su comportamiento debido a que dichos problemas son intratables desde el punto de vista experimental, pues requieren condiciones que serían peligrosas o no fácilmente alcanzables, y a que los experimentos en computadora son más baratos y controlables (Figura 1).

Niveles de aplicación

La modelización cuantitativa puede aplicarse a la química computacional al nivel del usuario (nivel básico), que consiste en la aplicación del software desarrollado dentro del área. Para ello se requieren conocimientos de informática mínimos.

En un nivel profesional, puede utilizarse para la investigación y desarrollo de metodologías y herramientas de software en química computacional o su aplicación a problemas químicos del software del área. Es requisito de este nivel poseer conocimientos de informática amplios, como el manejo de sistemas operativos, ingeniería del software, programación, bases de datos, lenguajes orientados a objetos y varios más (Figura 2)

Propiedades que se pueden obtener mediante la simulación computacional

Las propiedades que pueden obtenerse mediante la simulación computacional dependen de los intereses que se tengan; por ejemplo, si se ve desde el punto de vista de la química, podemos investigar la geometría molecular, como la distancia de enlace, los ángulos de enlace de las moléculas, los ángulos de torsión, los ángulos diedros (ángulos entre planos que forman grupos de átomos), las trayectorias de reacción y otras.

Del lado de la física y de la ciencia de materiales, es factible investigar las propiedades ópticas, magnéticas, elásticas y estructurales (parámetros de celda en sólidos, volumen de la celda, energía del estado base, densidad de estados, estructura de bandas). Todo esto es posible gracias a modelos instrumentados en códigos computacionales, por ejemplo, el Cerius; dicho programa abarca módulos de química, física y ciencias de materiales y su único inconveniente es su elevado costo. Uno más comercial es la serie de programas Gaussian y algunos softwares libres que pueden hallarse en la red (Figura 3).

Logros científicos

Un ejemplo del gran trabajo logrado en años recientes en las áreas de la química cuántica computacional y la física del estado sólido computacional es el desarrollo de métodos que pueden emplearse para realizar estudios teóricos de las propiedades de moléculas y los procesos químicos en que están involucradas, efectuado por el matemático inglés John Pople y el físico australiano Walter Kohn, quienes ganaron el premio Nobel de química en 1998 por sus contribuciones pioneras en este campo.

Gracias a la teoría de funcionales de la densidad de Kohn y a las matemáticas de Pople, ha sido posible no sólo simular con modelos muy confiables los procesos químicos y de sólidos de compuestos ya conocidos, sino también predecir algunos otros con moléculas que serán artificialmente creadas posteriormente. Se puede prever cómo se comportarán las moléculas que podrían ser útiles para el desarrollo de medicamentos. Entender cómo responden los enlaces químicos entre las distintas moléculas de un compuesto determinado ha sido un sueño largamente perseguido por cient í ficos en campos que van de la biología molecular a la industria farmacéutica, pasando por la astroquímica (Figuras 4, 5, 6 y 7).

Conclusiones

Si queremos hacer uso del modelado computacional en lo que se conoce por laboratorios virtuales, tendremos que considerar tanto su estructura matemática como informática para lograr un mejor aprovechamiento de esto que hoy día se ha vuelto una poderosa herramienta de trabajo y, sobre todo, de bajo costo y poder de predicción, que son de interés tanto químico como físico, así como para el diseño de nuevos materiales en comparación con un laboratorio usual de investigación (señalamos que la finalidad de estos laboratorios es reemplazar los laboratorios usuales) en sus dos vertientes: básico y profesional (Figura 8).


* Se agradece al Centro de Cómputo del Instituto de Física "Luis Rivera Terrazas", de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, las facilidades otorgadas para la realización de dicho trabajo, el cual fue asimismo apoyado por la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado de la mencionada Universidad (Proyecto
Núm. II-101I02).

** Instituto de Física "Luis Rivera Terrazas" de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, av. San Claudio y 18 Sur, Apdo. Postal J-48, tel. 2228-687608, correo electrónico: echigoa@sirio.ifuap.buap.mx.

Para el lector interesado:
Chigo A., E. (en revisión). La simulación computacional. J. Mat. Edu. (2002). El laboratorio virtual. A v a n c e Tecnológico y Sociedad, mayo-agosto, 24: 33-37.
y Rivas S., J.F. (2002). Metodología del cálculo de la estructura electrónica de materiales sólid o s . Temas de Ciencia y Tecnología, 6( 1 8 ) , sept.-dic.: 17-20..