e-gnosis E-ISSN: 1665-5745 e-gnosis@cencar.udg.mx Universidad de Guadalajara México Chigo Anota, Ernesto La simulación computacional en Química y Física e-gnosis, núm. 2, 2004, p. 0 Universidad de Guadalajara Guadalajara, México Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=73000215 Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
LA SIMULACIÓN COMPUTACIONAL EN QUÍMICA Y FÍSICA COMPUTER SIMULATIONS IN CHEMISTRY AND PHYSICS Ernesto Chigo Anota 1 echigoa@sirio.ifuap.buap.mx Recibido: octubre 14, 2003 / Aceptado: marzo 8, 2004 / Publicado: marzo 26, 2004 RESUMEN. En el presente trabajo se da a conocer la importancia de la simulación o modelado computacional en lo que se conoce como laboratorio virtual (en analogía a un laboratorio real), desde dos puntos de vista: la química cuántica computacional (QCC) y la física del estado sólido computacional (FESC), además de su aplicación y el perfil que deberá poseer el estudiante en estas áreas de la investigación. La aplicación de simulación es una prueba que llevó al matemático John Pople y al físico Walter Kohn a ganar el premio Nobel de química en 1998, creadores del programa molecular gaussian que implementa las dos principales teorías para el estudio de sistemas moleculares como son la teoría Hartree-Fock (HF) y la teoría de las funcionales de la densidad-dft. PALABRAS CLAVE. Modelado computacional, laboratorio virtual, química cuántica computacional, física del estado sólido computacional. ABSTRACT. This paper presents the importance of a computer simulation or modeling in what is known as virtual laboratory (in opposition to an actual laboratory), from two points of view: computer quantum chemistry (QCC) and computer solid state physics (FESC), as well as its application and the student s profile for these research areas. The application of simulations is a test that gave the 1998 Nobel prize in chemistry to mathematician John Pople and physicist Walter Kohn. They created the Gaussian molecular program that implements the two main theories to study molecular systems: the Hartree-Fock (HF) theory, and the DFT-density functional theory. KEYWORDS. Computer modeling, virtual laboratory, computer chemistry quantum, computer solid state physics. Figura 1. Simulación computacional de una molécula en el llamado laboratorio virtual. 1 Posgrado en Ciencias Químicas-Benemérita Universidad Autónoma de Puebla - www.buap.mx/csquimicas Facultad de Ingeniería Química,-Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. - cquimicas.cu.buap.mx ISSN:1665-5745 -1/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15
Introducción El nombre de laboratorio virtual se le ha dado actualmente a la simulación o modelado computacional, (en analogía a un laboratorio común en donde se realice investigación básica y profesional), en términos generales se hace uso de las herramientas computacionales tanto software como hardware, así como de las áreas de las ciencias exactas en su estructura teórica básica y avanzada como las matemáticas, física, biología y química. Aquí se analiza la importancia de la simulación en dos áreas de investigación como lo es la química cuántica (QC) y el estado sólido (ES), también se analizan los niveles de aplicación y el perfil académico que debe poseer el estudiante que desee introducirse al diseño de nuevos materiales. Se señala que no solo es el manejo de un programa computacional como tal, sino la necesidad de involucrarse en la estructura matemática, así como teorías contenidas en dicho software para la obtención de propiedades físicas y químicas de ciertos sistemas de interés, que engloba la llamada simulación computacional. Aplicabilidad La siguiente definición [1]: La química cuántica computacional, representa el modelado cuantitativo de fenómenos de interés químico cuando se usan técnicas computacionales. Si se analizan los conceptos de: Modelado cuantitativo, es la creación de modelos capaces de reproducir la realidad de forma precisa. Estos modelos son los que provee la química teórica. Técnica computacional, es la implementación eficiente de los modelos y su utilización a través de, y gracias a la tecnología informática. Los métodos computacionales (tanto del punto de vista de la química cuántica computacional (QCC), física del estado sólido computacional (FESC), así como desde un punto de vista general) se utilizan para resolver problemas químicos, físicos y de ciencias de materiales (matemáticos, biológicos, etc.) debido a que: Dichos problemas son intratables desde el punto de vista experimental (condiciones que serían peligrosas o no fácilmente alcanzables). Simplemente por que los experimentos en computadora son más "baratos" y controlables. Niveles de aplicación: Química computacional para el usuario de nivel básico: Aplicación del software desarrollado dentro del área. Conocimientos mínimos de informática. Química computacional para el profesionista: Investigación y desarrollo de metodologías y herramientas software en química computacional y/o aplicación a problemas químicos del software del área. Conocimientos amplios de informática: sistemas operativos, ingeniería del software, programación, bases de datos, lenguajes orientados a objetos, etc. ISSN:1665-5745 -2/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15
Figura 2. Esquema que muestra el origen la química cuántica, proveniente de diversas áreas de la química. Qué dio origen al nacimiento de esta área de investigación, QCC? Con el nacimiento de la mecánica cuántica en conjunción con la química-física, química teórica e informática dan origen a la llamada química cuántica computacional [2], como se observa en las gráficas (figura 2 y figura 3). Figura 3. Formación del área de la química computacional. Por ejemplo, si realizamos un experimento en el laboratorio y se obtiene un compuesto que es de color amarillo, podría pensarse, qué color más bonito! Y dejar olvidado el tema. Pero, el buen químico teórico debe preguntarse, por qué ese compuesto es amarillo y no transparente? Esto, aunque parece bastante trivial, no lo es. Para explicar dicho comportamiento, se usaría esta teoría y se gastarían un buen número de horas. La mecánica cuántica nace a principios del siglo XX, cuando un grupo de científicos, hartos de la llamada unificación de la física a finales del siglo XIX, se pusieron a pensar y empezaron a encontrar errores en dicha teoría. Pero era una faena muy grande pues todo el mundo estaba supercontento con las viejas teorías y cambiar ahora, era un paso muy engorroso, de manera que la comunidad científica no era nada alentadora. Incluso Albert Einstein, pese a ser uno de sus más influyentes constructores y premio Nobel, nunca creyó en ella, y como él otra mucha gente. Sin embargo las evidencias eran clarísimas y finalmente se instauró como la teoría que engloba a la llamada mecánica clásica. Erwin Schrödinger, por un lado, con su ISSN:1665-5745 -3/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15
dinámica diferencial y por otro Werner Heisenberg con su dinámica matricial obtuvieron la misma teoría cuántica que más tarde se vio que eran casos especiales de una teoría más general, desarrollada por Paul Dirac años después. Complemento Por otro lado, existe la rama de la física del estado sólido asociada con la parte computacional que ha tenido un gran desarrollo y da como resultado la física del estado sólido computacional (denominada así por el hecho de que el estado sólido se complementa con la informática y en donde la teoría, actualmente mas usada es la llamada teoría de funcionales de la densidad o DFT [3]). Dicha rama igual que la anterior es aplicada también al modelado (o simulación computacional) y su principal virtud es ser una gran herramienta predictiva y complementaria a la que nos proporciona la química cuántica computacional en la actualidad, además de ser de gran ayuda tanto para físicos como para químicos y para el área de ciencias de materiales. El área de la química cuántica computacional se acostumbra enfocarse principalmente a problemas químicos (esto a nivel atómico y molecular) y la física del estado sólido computacional [4] está enfocada a problemas tanto físicos y químicos (tales como materiales sólidos, aleaciones, superficies, etc.) Lo que cabe señalar es que ambas ramas son complementarias, dado que la QCC no proporciona información acerca de ciertas propiedades que sí pueden ser obtenidas por medio de y con ayuda del estado sólido. Logros científicos Un gran ejemplo del trabajo logrado en años recientes en el área de la química cuántica computacional y física del estado sólido computacional vio sus frutos en lo realizado por el matemático inglés John Pople y el físico austriaco Walter Kohn, ganadores del premio Nobel de química en 1998 [5] por sus contribuciones pioneras al desarrollo de métodos que pueden ser empleados para estudios teóricos de las propiedades de moléculas y los procesos químicos en que están involucradas. 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 predecir algunos otros con moléculas que serán artificialmente creadas con posteridad. Por ejemplo: uno puede prever como 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 científicos en campos que van de la biología molecular a la industria farmacéutica pasando por la astroquímica. Perfil académico Qué perfil debe poseer un estudiante en esta área de la física del estado sólido computacional y química cuántica computacional? De acuerdo con los niveles de aplicación antes mencionados son: El uso adecuado de herramientas básicas (llámese manejo de programas en forma general, editores, graficadores, sistemas operativos, etc.) enfocado al nivel medio superior, superior y carreras técnicas. ISSN:1665-5745 -4/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15
Bases sólidas de matemáticas, estado sólido, química básica y avanzada y sobretodo bases de informática, etc., para la buena compresión de la teoría involucrada en los grandes superprogramas disponibles en la actualidad. Desventajas Quizás la poca divulgación que se ha hecho en ambas ramas acerca de la simulación (se aclara que la utilidad del modelado es presentada también, por ejemplo: en biología, en matemáticas, etc.) es debido, por un lado, a la limitación computacional en el estudio de sistemas grandes en una primera visión y el de "un cierto tabú" por incredulidad, aun actualmente, en su utilidad como herramientas de investigación (a pesar de sus logros científicos y como prueba contundente de la aproximación teórica a sistemas reales) por un cierto sector (experimentalistas). Se debe destacar que a medida que crece el uso de la herramienta computacional el desarrollo de estas áreas se tornan más atractivas y diversificadas (actualmente se cuenta con cierto software gratuito principalmente visualizadores [6]). Propuesta Cabe señalar que el nacimiento de estas áreas se han realizado de un modo sorprendente, debido al desarrollo tecnológico computacional actual (computadoras de varios procesadores, así como la velocidad de procesamientos de datos y su capacidad de almacenar información son una de las innovaciones hechas en recientes años). Si lográramos continuar con la divulgación de esta herramienta desde lo básico, es decir, en el nivel medio superior (preparatorias, carreras técnicas, e inducir a ese sector para trabajar más la química, biología y física con ayuda de herramienta computacional, esto no debe confundirse con que las computadoras nos vayan a realizar el trabajo en el sentido de interpretación de resultados), podríamos tener un número considerable de gente joven interesada en estudiar este campo, y por otro lado a estudiantes de carreras de ciencias para tomar más herramienta matemática y computacional. Conclusiones Al hacer uso de la simulación o modelado computacional en lo que se conoce por laboratorios virtuales, se consideraría tanto su estructura matemática como informática para lograr un mejor aprovechamiento de esto que hoy en día se ha vuelto una poderosa herramienta de trabajo, sobretodo de bajo costo, y poder de predicción que son de interés tanto químico como físico, y también ciencia de materiales para el diseño de nuevos materiales, en comparación con un laboratorio usual de investigación en sus dos vertientes básico y profesional. ISSN:1665-5745 -5/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15
Figura 4. Simulación computacional del Compuesto USb, cuya estructura es la del NaCl) [7] en el programa Cerius2[8]. Agradecimientos Se agradece al Centro de Cómputo del Instituto de Física "Ing. Luis Rivera Terrazas" de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla las facilidades otorgadas para la realización de este trabajo. Trabajo apoyado por la Vicerrectoría de Investigación y estudios de Posgrado (VIEP) de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, proyecto No. II-1101I02. Referencias 1. Niño Ramos A., Muños Caro C., (2002) Notas del Curso de Química Cuántica Computacional, Facultad de Ciencias Químicas de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. 2. La estructura matemática puede ser consultada en: Levine I. Química Cuántica. (1977) Editorial A. C.; Chigo Anota E., Tesis de Maestría en Ciencias. (2000). Uso de los pseudopotenciales de Ermler Ross y Christiansen en algunos compuestos de actínidos. Instituto de Física "Luis Rivera Terrazas" de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México. Consultar también: http://mtzpz.bankhacker.com/cuantica/articulo-nobel.phtml 3. Hohenberg P., Kohn, W. (1964). Phys. Rev. B 136(3): 864-871; Kohn W., Sham, L. J. (1965). Phys. Rev. A 140(4): 11331138; Kohn W, Becke A. D., Parr R. G, (1996). J. Phys. Chem. 100: 12974-12980; Peter A. Bobbert, (1999), http://lsdm.dichi.unina.it/dft/dft.html ; K. Higuchi y M. Higuchi, preprints en el archivo de Internet cond-mat/0301578 y condmat/0302093 (Los Alamos Laboratory (2003));Capelle K. (2002), preprints en el archivo de Internet cond-mat/0211443 1, Los Alamos Laboratory; Chigo Anota E., Rivas-Silva J. F. (2004). Aceptado en Rev. Méx. Fis. 50. 4. Chigo-Anota E., Rivas-Silva J. F. (2002). Rev. Temas de Ciencia y Tecnología, 6 (18): 17-20 Sept-Dic., editada por la Universidad Tecnológica de la Mixteca, Huajuapan de León, Oaxaca, México. 5. Consultar la pagina de Internet: www.nobel.se/chemistry/laureates/1998/index.html; http://mtzpz.bankhacker.com/cuantica/articulo-nobel.phtml 6. Por ejemplo los siguientes programas: a) Mercury (busca contactos Inter- e intra-moléculas) versión 1.1 (2002). Consultar: www.ccdc.cam.ac.uk/mercury b) Molden (visualizador) Versión 3.7 (2000). Consultar: www.cmbi.kun.nl/~schaft/molden/molden.html c) RasWin Molecular Graphics (constructor de moléculas), Windows Versión 2.7.2, (2000). Consultar: www.iucr.ac.uk/iucr-top/cif/software/rasmol. d) ORTEP3 (usado para graficar estructuras de moléculas pequeñas obtenidas de datos de difracción de rayos X). Consultar: www.chem.gla.ac.uk/~louis/software/ortep3/index.html ISSN:1665-5745 -6/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15
7. Chigo-Anota E., Flores Riveros A., Rivas-Silva J. F. (2002). Superficies y Vacío, 14: 7-11, aquí se encontrará un estudio DFT de dicho compuesto. 8. Cerius2 Versión 4.2 MatSci, Molecular Simulations Inc. (2000) y también consultar la página www.accelrys.com/cerius2/ ISSN:1665-5745 -7/ 7- www.e-gnosis.udg.mx/vol2/art15