La SIMULACIÓN por computadora y la VISUALIZACIÓN gráfica de resultados. Herramientas para la investigación de la dinámica molecular.

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Pilar Henríquez Rojo
hace 6 años
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1 Entorno nuclear La SIMULACIÓN por computadora y la VISUALIZACIÓN gráfica de resultados. Herramientas para la investigación de la dinámica molecular. Por Mario Pérez Álvarez (mpa@nuclear.inin.mx) Durante los últimos años, ha habido una gran expansión en la capacidad para recabar y procesar datos generados en experimentos. Esta capacidad se ha logrado a partir de grandes avances tecnológicos relacionados con el aumento en la sofisticación instrumental, la automatización y otros acontecimientos relacionados. Además, la disponibilidad de poderosas computadoras ha permitido trabajar en problemas científicos de una magnitud previamente inaccesible, es decir, propicia que se puedan realizar experimentos en los que el número de variables a procesar es muy grande. estudio de un modelo, el cual puede ser una representación o una explicación formal de la observación empírica, pero que a menudo es una combinación de ambas. Sin embargo, la gran cantidad de datos que vierten tanto la instrumentación experimental moderna, como la simulación computacional, presenta otro gran problema que puede ser visto desde dos enfoques distintos: 1. La presentación y clarificación de los datos de tal modo que los mismos científicos que los obtuvieron puedan entender su significado. El desarrollo de los computadores digitales y su aplicación a la resolución de problemas científicos ha introducido a la investigación científica lo que algunos han llamado una tercera metodología : la simulación computacional [1]. La simulación por computadora es de hecho un método de análisis que ha permitido estudiar una infinidad de problemas. Para ello se sirve del 2. La presentación de los resultados, con el objetivo de transmitir la información generada, a personas no involucradas en el trabajo, como pueden ser otros científicos. Una de las tradiciones consagradas de muchos investigadores es la de producir las formas ilustradas llamadas gráficas para la 1

Los seres humanos pueden percibir con poco esfuerzo patrones en datos trazados, mientras que entender un gran volumen de material en forma tabular es casi imposible, incluso para los mismos

2 Figura 1. Representación gráfica presentación de la información a ellos mismos o a una audiencia más amplia. Los diagramas de variables en una representación gráfica son casi siempre más informativos que grandes tablas de datos. Los seres humanos pueden percibir con poco esfuerzo patrones en datos trazados, mientras que entender un gran volumen de material en forma tabular es casi imposible, incluso para los mismos científicos que lo generaron. En muchas situaciones, un modelo puede ser analizado con éxito usando solamente métodos gráficos. En otros casos, las representaciones gráficas pueden realzar otras formas de análisis. (Figura 1). Dados estos hechos, el desarrollo de software de simulación por computadora combinado con un poderoso visualizador gráfico e implantado en grandes y modernas supercomputadoras, se ha dado de manera casi natural por parte de los proveedores de equipo científico que dotan a los institutos de investigación de dichas herramientas. Simulación molecular La simulación molecular se ha desarrollado atendiendo teorías sobre el comportamiento y el acomodamiento de los átomos en los materiales [2]. Simular la dinámica molecular en una computadora requiere de una serie de algoritmos en los que se ha venido trabajando desde tiempo atrás. En la actualidad aún hay que resolver con mayor eficiencia estos algoritmos para poder simular el comportamiento de sistemas de átomos cada vez más complejos [3]. Representación tabular Dentro de la investigación en ciencia de materiales, aun con la utilización de los más sofisticados y modernos métodos experimentales, no es posible determinar los detalles de la estructura de la materia sin ayuda de la simulación molecular por computadora que incluye el estudio estructural de la materia a nivel atómico así como de sus propiedades. 2

3 Con los métodos actuales de rayos X es imposible la investigación directa de los detalles atómicos, ya que la precisión de los resultados no llega al nivel atómico y la posición y orientación de las moléculas quedan determinadas sólo aproximadamente. Esta tarea es asumida por los métodos teóricos de simulación molecular, y su aplicación a los diferentes sistemas moleculares ha dependido del desarrollo de las supercomputadoras. Los métodos de cálculo de energía, dependiendo del tipo de aproximaciones, se dividen principalmente en dos: métodos clásicos y métodos cuánticos [4]. Las aproximaciones cuánticas permiten calcular estructuras con mayor precisión y en principio para cualquier tipo de átomo. Estos métodos se basan en los principios de la mecánica cuántica que tienen como fundamento la descripción matemática de la estructura molecular en términos de los núcleos atómicos y de la distribución electrónica a su alrededor, encontrando soluciones para la ecuación de Schrödinger (HY = EY ) independiente del tiempo. La solución exacta de la ecuación de Schrödinger para un sistema dado es una labor que requiere mucho tiempo de cómputo, debido a la gran cantidad de cálculos que se deben realizar. Sin embargo por la manera de atacarla, podemos recurrir a las aproximaciones semiempíricas y de primeros principios. Desde luego las primeras requieren de información característica de los materiales a tratar, pero permiten abordar un número de átomos mucho mayor pues no se parte de cero en el cálculo, a diferencia de los métodos de primeros principios que se basan en la resolución de la ecuación de onda a partir de las constantes fundamentales [5] (Figura 2). Los métodos de simulación clásicos nos permiten calcular la estructura espacial de una molécula con base en la búsqueda de los mínimos locales a través del análisis de la energía de interacción no-valente. Un ejemplo es la mecánica molecular que se basa en la idea de que una molécula se puede representar por un conjunto de puntos con carga neta situados en los núcleos de los átomos y distribuidos en una superficie de energía potencial generada por ellos mismos. El cálculo de los valores de la energía se hace utilizando un potencial efectivo para interacciones átomo-átomo, el cual se construye basándose en datos experimentales y en cálculos mecánico cuánticos [3] (Figura 2). Los métodos de la simulación molecular han llegado a utilizarse ampliamente en las últimas décadas y en diferentes disciplinas de las ciencias exactas. Hoy existe software con paquetes gráficos muy sofisticados que son estupendos para visualizar la estructura atómica de los materiales y además permiten visualizar cómo cambian sus propiedades cuando están sujetos a ciertas condiciones o cambios estructurales. 3

4 Cerius 2 El Cerius2 (Figura 2), es un programa creado por una compañía llamada Molecular Simulation Inc., que ahora se llama Accelrys Inc [6]. Este software comercial contiene una serie de paquetes orientados a la simulación molecular que incluyen tanto métodos clásicos o de mecánica molecular (Open Force Field y Montecarlo, entre otros), como métodos cuánticos (DEMOL3, MOPAC, ADF y ESOCS, entre otros). Todos estos métodos se basan en centenares de publicaciones científicas y ya se han implementado con éxito en la industria y la investigación académica mas avanzada. Este moderno software de simulación molecular está orientado hacia cálculos de carácter global de materiales que proporcionan un entorno completo de trabajo donde crear, visualizar y analizar modelos de moléculas desde materiales y pequeñas moléculas o cluster metálicos hasta ADN y sistemas proteicos macromoleculares. El paquete de simulación molecular Cerius2 en una supercomputadora es simplemente una herramienta de gran ayuda a la investigación de materiales que combina métodos numéricos de simulación, confiables y probados, con una potente interfaz gráfica que ayuda a la interpretación de los resultados. Figura 2. Cálculo de orbitales moleculares HOMO de un fullereno en el Cerius 2 usando el método de mecánica cuántica MOPAC 4

5 Figura 3. Obtención del modelo de la molécula m-xyleno por medio del método de mecánica molecular Open Force Field en Ceruis 2 Referencias [1] William J. Kaufmann y Larry L. Smarr, Supercomputing and the Transformation of Science, Scientific American Library, New York, [2]. D. C. Rapaport, The Art Of Molecular Dynamics Simulation, Cambridge University Press, United Kingdom, [4] Andrew R. Leach, Molecular Modelling, Principles and applications, Ed. Longman, Singapore (B & Jo), [5] B. Ya. Simkin and I. I. Sheikhet, Quantum chemical and statical theory of solutions: a computational approach. Ellis Horwood Limited, London, [6] [3]. Goodman, Jonathan M., Chemical Applications of Molecular Modelling, The Royal Society of Chemestry,

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