Educación científica

Modela que algo queda (en Química)

Las teorías y leyes en Ciencia constituyen las bases que nos permiten entender el comportamiento de los sistemas físicos. Las teorías y leyes en Ciencia constituyen las bases que nos permiten entender el comportamiento de los sistemas físicos.

Las teorías y leyes en Ciencia constituyen las bases que nos permiten entender el comportamiento de los sistemas físicos.

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El profesor Jean-Louis Rivail, de la Universidad de Nancy, contaba una experiencia con su hija cuando ésta solo tenía seis años y la llevó a visitar un museo de pintura. Delante de un magnífico bodegón naturalista del siglo XVIII, en el que destacaba en primer plano una magnífica manzana roja, le preguntó, "¿Te gusta la preciosa manzana roja del cuadro?", a lo cual ella respondió: "No papá, no es una manzana, las manzanas se comen". Al profesor Rivail le gustaba narrar esta anécdota a los miembros jóvenes de su equipo para poner de manifiesto la diferencia entre la realidad y los modelos fisicoquímicos que construimos sobre ella para ayudarnos a comprenderla.

Las teorías y leyes en Ciencia constituyen las bases que nos permiten entender el comportamiento de los sistemas físicos, en muchas ocasiones expresados mediante ecuaciones matemáticas de distinta complejidad. Habitualmente, las dificultades matemáticas que conlleva la aplicación de las teorías a sistemas físicos de nuestro interés resultan en una incapacidad para desvelar el conocimiento y evolución de los sistemas de forma precisa.

Desde niños, el instinto nos impulsa a imaginar que el todo está formado por partes. Todos los materiales que nos rodean estarán formados por elementos más pequeños. Un niño no rompe un juguete, sino que escruta de qué está formado para así conocer sus mecanismos e incluso idear cómo puede mejorarlo.

Ya en la antigua Grecia, el filósofo Demócrito había establecido su Teoría Atómica, en la que cada sustancia estaba constituida por un tipo de elementos indivisibles a los que llamó "átomos". Esta teoría se aproxima a lo que hoy conocemos de la composición de la materia, aunque los átomos no son específicos de cada sustancia de la Naturaleza. Sin embargo, sí es cierto que la combinación de átomos en general da lugar a una ingente combinación de materiales, moléculas, supermoléculas y otras muchas estructuras complejas.

Heráclito y Demócrito en un cuadro de Rubens. Heráclito y Demócrito en un cuadro de Rubens.

Heráclito y Demócrito en un cuadro de Rubens.

La Química es una ciencia experimental eminentemente molecular. Uno de sus pilares es la reacción química que describe cómo se transforman unas moléculas en otras. El otro es la forma en la que se organizan unas moléculas con otras, porque nos da las claves de las propiedades de los materiales.

A principios del siglo XX, es decir, veinticinco siglos después de la teoría atómica de Demócrito, se establecieron los principios de la Mecánica Cuántica, que son las leyes que rigen el comportamiento de los átomos y moléculas.

Para entender el mundo de estas partículas microscópicas se introdujeron dos conceptos nuevos respecto a los conocidos en el mundo macróscopico: la cuantización de la energía y el dualismo onda-partícula. La ecuación que recoge estos nuevos elementos y permite definir correctamente la dinámica de las partículas microscópicas fue propuesta por Schrödinger en 1927, lo que constituyó un postulado de la Mecánica Cuántica. Ésta proporciona las herramientas para describir el mundo microscópico de átomos y moléculas, y permite extender nuestro conocimiento al mundo macroscópico, ya que, si conocemos las partes, podremos describir el todo. Sin embargo, aparecen dos grandes limitaciones.

Por un lado, la ecuación de Schrödinger no puede resolverse de forma exacta más que para un número muy limitado de sistemas muy simples. El resto, la inmensa mayoría de los átomos y moléculas, sólo podemos describirlo aproximadamente. Por otro lado, los sistemas macroscópicos, los que percibimos con nuestros sentidos, están constituidos por un elevadísimo número de átomos y/o moléculas.

Por ejemplo, el agua contenida en un vaso está formada por millones de trillones de moléculas de agua. Esto obliga a usar otra herramienta esencial de la Química Teórica, la Mecánica Estadística, que se ocupa de describir el comportamiento de un colectivo muy grande de partículas. La tarea parece formidable, ya que las teorías y las leyes nos abocan a una complejidad tal que no podemos resolver de forma exacta los problemas planteados. Pero las soluciones aproximadas han permitido resultados razonables comparados con los que cabría esperar de la aplicación rigurosa de las teorías generales.

Modelos como la Teoría del Funcional de la Densidad o los métodos Hartree-Fock, junto con las Teorías Estadísticas de Colectivos y los métodos de Monte Carlo y Dinámica Molecular clásicos y cuánticos, han permitido desvelar las propiedades fisicoquímicas de muchos sistemas químicos, por lo que se han convertido en una potentísima herramienta para describirlos y desentrañar las claves de sus comportamientos.

Sin embargo, hasta la Segunda Guerra mundial la modelización, aunque disponía de fundamentos físicos y matemáticos, adolecía de la potencia de cálculo necesaria para describir de forma precisa los sistemas macroscópicos a escala atómica y molecular.

Al final de la Guerra, parte de los ordenadores y la ciencia computacional desarrollada con fines bélicos se reconvirtió hacia usos civiles de investigación en muchas áreas científicas. En 1952 se construyó MANIAC en los Álamos (EEUU), sucesor de ENIAC, el mítico ordenador diseñado por John von Neuman en 1945 para el cálculo de trayectorias balísticas y procesos termonucleares. Gestionado por el científico Nicholas Metropolis, MANIAC fue el primer ordenador sobre el que se empezaron a desarrollar cálculos de problemas científicos fundamentales y ahí nació la Química Computacional.

Desde entonces el modelado computacional en el campo de la Química Teórica se ha desarrollado de forma espectacular, especialmente desde los años ochenta del pasado siglo, debido a que se generalizó el acceso de los grupos de investigación a ordenadores potentes.

En las últimas dos décadas del siglo XX la mejora en la potencia de cálculo se combinó con un gran esfuerzo en el desarrollo de programas tanto en Química Cuántica como en Mecánica Estadística. En esta última área cabe reseñar la introducción del modelo de Car-Parrinello, que combina de forma efectiva cálculos mecano-cuánticos con Mecánica Estadística.

El siglo XXI ha supuesto el acceso generalizado a supercomputadores. El siglo XXI ha supuesto el acceso generalizado a supercomputadores.

El siglo XXI ha supuesto el acceso generalizado a supercomputadores.

El siglo XXI ha supuesto el acceso generalizado a supercomputadores junto con las mejoras notables en la eficiencia de los grandes programas. Ello ha abierto un enorme abanico de aplicaciones en Química Teórica y Computacional en muy diversos campos, desde la Biomedicina y la Bioquímica a la Farmacología, la Química, la Ciencia de Materiales o a las Ciencias Medioambientales.

Aunque, como ya se ha indicado, los resultados computacionales no son exactos ya que provienen de la aplicación de modelos, sus estimaciones han sido extremadamente útiles en innumerables ocasiones y han permitido no sólo comprender fenómenos experimentales y cuantificar los valores de las propiedades con una precisión aceptable, sino predecir fenómenos y propiedades no medidas previamente. Ello ha hecho que durante la última década se haya asentado, tanto en los foros académicos y de investigación fundamental como en los centros de investigación aplicada de muchas compañías, el concepto de Laboratorio Computacional.

Los modelos teóricos puede que aún no sean capaces de sustituir a los experimentos, pero cada vez son más útiles a la hora de guiar las investigaciones experimentales para llegar a comprender mejor el mundo que nos rodea.

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