Cómo hacer experimentos sin ensuciarse las manos

Componentes elementales del universo material, los átomos se esconden mucho más allá del alcance de la lupa más poderosa. Habitualmente no se encuentran aislados, sino que tienden a asociarse y a formar las moléculas, cuya estructura, organización y forma de interactuar entre sí determina las propiedades y la función de todos los materiales, desde la piel humana hasta las rocas volcánicas. Además, bajo las condiciones apropiadas, pueden combinarse entre sí, reordenarse e intercambiar sus átomos para generar moléculas nuevas, lo cual es causa de las transformaciones químicas de la materia, omnipresentes y en particular indispensables para la vida.

Si, de hecho, el universo físico está determinado por el comportamiento de los átomos y las moléculas, no es sorprendente, pues, que la ciencia pretenda explicarlo y, mejor aún, anticiparlo, a través de procedimientos eminentemente teóricos. Semejante posibilidad abriría las puertas a logros inapreciables, desde conocer las propiedades de materiales que todavía no han sido sintetizados hasta predecir si un medicamento será capaz de ejercer determinado efecto. Así, capturar la naturaleza íntima de la materia mediante herramientas teóricas equivale a responder innúmeras cuestiones sin la necesidad de realizar sofisticados o costosos –y a veces impracticables– experimentos. ¿Es la ciencia capaz de hacer tal cosa?

Desde que Newton imaginó las leyes del movimiento en 1687, los físicos saben por ejemplo cómo calcular las órbitas planetarias. El compendio de estas leyes es la mecánica newtoniana. A finales del siglo XIX y comienzos del XX, los físicos pretendieron resolver el problema del átomo valiéndose de esas leyes deterministas. Por entonces, los experimentos arrojaban cierta luz sobre su estructura: una entidad formada por un núcleo positivo y partículas negativas que podían llegar a desprenderse: los electrones. Sin embargo, los intentos de explicar las observaciones experimentales aplicando la física del siglo XIX a un modelo de electrones y protones fracasaron. El motivo era insólito pero incuestionable: las partículas de tamaño atómico no respetaban las leyes de la física conocida.

Naturalmente, semejante hipótesis introducía una novedad tan inusitada que su aceptación supuso seria resistencia en todos los círculos científicos. Lo cierto es que los experimentos confirmaban las inconsistencias de la física clásica. Fue necesario postular una nueva mecánica que estuviese en acuerdo con los hallazgos recientes: la mecánica cuántica, cimentada en las formulaciones de Planck, Heisenberg, Dirac, Schrödinger y otros. La herramienta central de la teoría cuántica es la ecuación de Schrödinger, que constituye el precepto matemático al que obedece todo sistema a escala atómica. Para domesticar a los átomos y las moléculas, pues, bastaría con aplicar esta ecuación a un conjunto de núcleos y electrones. Sin embargo, la complejidad matemática de la teoría cuántica es tal que, para un sistema de varios electrones, la ecuación de Schrödinger se torna irresoluble.

Ya desde los años ‘30 comenzaron a desarrollarse métodos que pretendían sortear las dificultades algebraicas de la ecuación de Schrödinger al precio de resignar parcialmente la calidad de los resultados. Sin embargo, incluso la implementación de métodos aproximados conduce a soluciones numéricas sumamente arduas. Sistemas de pocos átomos implican ecuacionesde enormes dimensiones, cuya manipulación es impensable sin la utilización de computadoras. Por ello la utilidad de la mecánica cuántica en la investigación de la estructura de la materia se consolidó a partir del avance vertiginoso de la tecnología informática.

Desde la aparición de la teoría hasta hoy se ha dedicado un esfuerzo ininterrumpido tendiente a derivar técnicas eficientes para resolver la ecuación de Schrödinger con el mayor grado de exactitud, y a utilizarlas en el estudio de sistemas atómicos y moleculares. De esto se ocupan, precisamente, la química cuántica y la física molecular. Los avances teóricos y los algoritmos cada vez más eficaces junto con el aumento en la velocidad de los procesadores, son los responsables del formidable crecimiento en estas áreas.

En la actualidad, sus aplicaciones se extienden a múltiples escenarios dentro de las ciencias naturales y la ingeniería. Pueden emplearse para calcular la capacidad de un material para conducir electricidad o calor, o para evaluar la cantidad de energía producida en una reacción química como la combustión. Asimismo, proporcionan una mirada microscópica que no es posible con ningún otro instrumento, y permiten simular una transformación química paso a paso, recreando la ruptura y la formación de enlaces, reproduciendo la asociación y la separación de átomos a lo largo del proceso.

En nuestro laboratorio de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) nos dedicamos a desarrollar métodos de química computacional y a utilizarlos para obtener información sobre las moléculas o modelar diversos fenómenos químicos. Por ejemplo, a estudiar los mecanismos mediante los que el oxígeno es capturado por la hemoglobina; a esclarecer cómo ciertas moléculas protegen a las células de sustancias tóxicas conocidas como radicales libres, o a simular transformaciones químicas que ocurren en la atmósfera y que destruyen el ozono.

Las computadoras son el tubo de ensayo. El refinamiento y la sofisticación de las metodologías de la química cuántica ha conseguido resultados cada vez más exactos, excelentes en el caso de átomos y de moléculas pequeñas, y sus aportes son invalorables en tanto proporcionan información a nivel molecular que a menudo es inaccesible por cualquier otro medio. No obstante, en la actualidad las técnicas para el tratamiento de sistemas de muchos átomos aún están en pleno desarrollo. El cálculo de una proteína que cuenta con miles de átomos demandaría meses en una computadora personal y, por el momento, sólo es posible mediante poderosas supercomputadoras que operan con varios procesadores en paralelo.

Hasta hoy, la simulación computacional en química ha mostrado su utilidad para interpretar, convalidar y predecir resultados experimentales. Con la evolución de los microprocesadores y el perfeccionamiento de los métodos cuánticos. Sin embargo, es de esperar que se convierta cada vez más en un instrumento de valor intrínseco –e incluso en herramienta fundamental– en la exploración de las propiedades y las transformaciones del universo material.

Scherlis y Estrin son investigadores del Departamento de Química Inorgánica Analítica y Física, de la FCEyN (UBA).

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