Merino lab: en la frontera de la química
Por Marytere Narváez
Mérida, Yucatán. 3 de octubre de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- Predecir las propiedades de cualquier sistema químico mediante las herramientas de la mecánica cuántica es la tarea del Laboratorio de Físicoquímica Teórica y Computacional del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), unidad Mérida. En su interior, el grupo de investigación conocido como Merino lab busca predecir moléculas que, de alguna manera, rompen los conceptos tradicionales de la química.
Gabriel Merino Hernández, líder del grupo, señala que en la preparatoria y en la universidad enseñan comúnmente que el carbono tiene que ser tetraédrico; sin embargo, en Merino lab los investigadores buscan conocer si existen otras posibilidades para estabilizar un carbono.
“Hemos tratado de ver si es posible estabilizar carbonos tetracoordinados pero planos, o pentacoordinados o hexacoordinados, es decir, que vayan más allá”, declaró para la Agencia Informativa Conacyt.
El investigador, quien forma parte del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con nivel III, describió que el primer reto consiste en implementar las ecuaciones de la mecánica cuántica y adaptarlas para aplicarlas a los sistemas que se desean estudiar.
“Hasta que no pasa ciertos estándares es cuando nosotros podemos calcular las propiedades de un sistema que es conocido y podemos ir más allá, predecir nuevas especies o nuevas propiedades que sean útiles para los objetivos propuestos, ese es el objetivo principal de nuestra área”, expresó.
Búsqueda de nuevos sistemas de enlace
Esta búsqueda se ha extrapolado no solo a la química del carbono sino también a la de elementos como el silicio y el boro. De acuerdo con el investigador, en ocasiones, los conceptos de enlace que conocemos pueden aplicarse en moléculas que no son las clásicas y es cuando deben localizar o predecir nuevos sistemas de enlace.
“Para ello necesitamos predecir la estructura de un compuesto, es la parte inicial para poder realizar un análisis ya que sin la estructura no podemos saber las propiedades ni predecir el tipo de enlace ni cualquier otro componente molecular”, apuntó.
En la primera etapa, los investigadores se encargan de encontrar cuál es la estructura más estable para cada composición. Por ejemplo, si deciden estudiar la molécula de agua (H2O), se busca cuál es la estructura más estable para el H2O. Con tres átomos, la estructura puede ser lineal o angular, dependiendo de las propiedades electrónicas. “Para tres átomos es sencillo, pero para moléculas de cinco a 20 átomos esto se vuelve una pesadilla”, comentó Merino Hernández.
Esto es debido a que la superficie que se forma depende del número de átomos. Para una molécula de 12 átomos como el benceno, que es muy común, deben analizarse alrededor de 30 dimensiones de lo que, en principio, ni siquiera revela su fórmula ni su comportamiento. “Para esto, aplicamos ciertas herramientas matemáticas para optimizar la molécula y explorar toda la superficie de energía potencial”.
Complejidad de la mecánica cuántica
Toda la química se basa en la mecánica cuántica y el problema fundamental radica en que las ecuaciones pueden ser demasiado complejas. Por lo general, el químico teórico intenta hacer aproximaciones basadas en la ecuación de Erwin Schrödinger, descrita desde los años veinte del siglo pasado y cuya problemática es el gran número de variables de las que depende.
Para estudiar sistemas muy grandes se requiere plantear aproximaciones, pero cada día las personas pueden hacer menos aproximaciones porque las computadoras se vuelven más poderosas. Mientras hace poco más de 50 años moléculas de tres a cuatro átomos saturaban una computadora que medía el tamaño de un edificio, actualmente se puede hacer una proteína con una precisión mucho mayor con la ayuda de una sola máquina.
“El hecho de que existan nuevos códigos con la implementación de estas ecuaciones y de que podamos tener computadoras más poderosas, nos permite analizar sistemas mucho más grandes, con mayor precisión y también calcular propiedades diferentes que antaño no era posible determinar”, apuntó.
El laboratorio tiene con equipo de supercómputo, que contó con el programa de Apoyo a Infraestructura Científica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).
Ciencia básica, fundamental para el desarrollo tecnológico
En el grupo, los investigadores han dedicado los últimos años a buscar nuevas metodologías para encontrar la superficie de energía potencial. Un tema relevante para Gabriel Merino Hernández es que para poder generar un avance tecnológico, primero se requiere desarrollar ciencia básica.
“Debe haber un equilibrio entre la ciencia básica y la ciencia aplicada y eso es lo que tratamos de hacer en el departamento, la interacción entre los grupos es lo que genera un conocimiento mucho más amplio y robusto para resolver este tipo de problemas”, comentó.
Con una producción que oscila entre las 15 y 20 publicaciones científicas al año, Merino lab se consolida por arriba de la media nacional, equivalente a dos artículos por año. En total, cuenta con 130 artículos publicados, de los cuales se han generado alrededor de tres mil citas.
En palabras de Merino Hernández, esto es lo más importante desde el punto de vista científico. “No tenemos patentes ni algo con qué compararnos con la parte industrial, pero a nivel científico creemos que somos de los grupos más fuertes a nivel nacional y no solo del área química”, apuntó.
En el laboratorio se desarrollan proyectos relacionados con análisis de mecanismos de reacciones químicas, desarrollo de celdas solares, propiedades sólidas y sus puertas están abiertas para los fenómenos que estudian sus colegas teóricos y experimentales.
“No tenemos una línea fija, lo que tratamos es ir a un problema interesante y enfrentarlo. Eso es lo importante de la química teórica, te permite atacar cualquier problema de la química independientemente de la dimensionalidad o de la naturaleza del sistema; pueden ser sistemas orgánicos, inorgánicos, cristales, moléculas discretas, podemos atacar cualquier sistema y dependiendo del tamaño es la precisión con la que lo podemos hacer”.
El laboratorio está conformado por tres estudiantes de doctorado, seis de maestría y cuatro posdoctorantes, quienes son estimulados para generar publicaciones interesantes que les permitan desarrollarse competitivamente en otras universidades o institutos después de sus posgrados.
Proyectos actuales
Los carbonos tetracoordinados planos fueron propuestos como resultado de la tesis de doctorado de Gabriel Merino. A partir de esto, en el grupo del Cinvestav se han dedicado a intentar predecir nuevos sistemas y algunas de las moléculas propuestas han sido detectadas experimentalmente, lo que representa un logro en este campo.
De igual manera, han estudiado compuestos organometálicos. En el campo de la aromaticidad han realizado aportes importantes para predecir la estabilidad de algunos sistemas, implementando particiones de lo que se conoce como campo magnético inducido. “Lo que tratamos de entender son dos conceptos básicos: el enlace químico y la aromaticidad, que son básicas en el lenguaje de la química”, apuntó Merino Hernández.
En los años más recientes, los investigadores han trabajado en la implementación de nuevas metodologías de optimización; a partir de ello han desarrollado un programa (gratuito para quien lo solicite) que permite explorar la superficie de energía potencial de cúmulos pequeños de entre cuatro y 25 átomos. “Cada vez tratamos de mejorarlo para explorar sistemas mucho más grandes”, comentó el investigador.
Búsqueda de nuevos sistemas de mínimos globales
Después de haber formado parte del equipo de Gabriel Merino en el País Vasco, José Luis Cabellos se integró a la unidad Mérida del Cinvestav para colaborar en el proyecto del clúster del laboratorio de supercómputo.
A lo largo de los últimos cuatro años, los investigadores han trabajado en la búsqueda de mínimos globales en moléculas y sólidos. De acuerdo con el investigador, todos los sistemas compuestos por átomos buscan un mínimo de energía, por lo que todo lo que conocemos en la naturaleza está en su estado basal o su “mínimo global”.
“En las moléculas sucede lo mismo, pones un conjunto de átomos y este conjunto tiende a minimizar su energía. La búsqueda de mínimos globales se refiere a que estamos buscando nuevos sistemas que no se han visto en la naturaleza y lo podemos proponer teóricamente para que después pueda ser observado de manera experimental”, apuntó.
Por tanto, a través del laboratorio de supercómputo se realiza una búsqueda de nuevos sistemas moleculares que tengan propiedades eléctricas, mecánicas u ópticas interesantes que no se conozcan actualmente y que puedan tener una repercusión en el desarrollo tecnológico de nuevos dispositivos.
Mediante la implementación de algoritmos de búsqueda basados en la evolución, conocidos como algoritmos evolutivos o genéticos, se buscan nuevos sistemas moleculares y sólidos, como el silicón y el grafeno, que pueden esconder propiedades innovadoras.
“Pueden ser mejor mecánicamente, más duros, eléctricamente pueden ser mejores conductores, mejores absorbentes de luz, todo depende de la aplicación que puedan tener en la tecnología, es investigación básica que puede llegar a ser aplicada”.
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