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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarpotencial de interacción molecularsimulaciones ordenador moléculasinteracción coulomb cargasmodelo leonard jonesenergía potencial configuración molecularinteracciones de CoulombLeonard JonesVan der WaalsJuan Carlos GilTPMDDFTFETENMonte CarloMetropolisRosenbluthTellerTIP 4P 2005
Energía potencial configuración molecular
Con
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Juan Carlos Gil explica cómo las simulaciones por ordenador imitan el comportamiento de las moléculas al definir un potencial de interacción que asigna energía a cada configuración molecular.
…Amundsen y Scott, exploradores del hielo, del hielo en particular y el diagrama de fases del agua en general, bueno pues es la simulación, la simulación por ordenador, que os quiero contar muy rápidamente cómo va esto de la simulación de materia condensada. La idea central es que si conocemos cómo interactúan las moléculas entre sí, podemos hacer que un ordenador pues imite su comportamiento. En la práctica esto requiere definir un potencial de interacción, una función que asigna una energía potencial a cada configuración de las moléculas, Energía que luego ya se intercambiará con cinética u otros grados de libertad, si hay vibración, etc. pues cuando las moléculas se menean Así la simulación explora el paisaje energético del modelo de potencial que estemos considerando En modelos clásicos estos potenciales son bastante simples describen solamente interacciones por pares entre centros de carga o átomos individuales. Estoy hablando de interacción de Coulomb entre cargas, esferas duras, era un modelo que se ha utilizado muchísimo, bolas de billar, Leonard Jones, que es un potencial suave con una repulsión y una atracción por Van der Waals, aunque obviamente la Naturaleza es mucho más compleja que estas esferas duras, ya existen interacciones de múltiples cuerpos, polarización y efectos cuánticos en general. Así que lo que hacemos con la simulación es construir una suerte de universo digital, si queréis, donde los…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil explica cómo las simulaciones por ordenador imitan el comportamiento de las moléculas al definir un potencial de interacción que asigna energía a cada configuración molecular.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #1potencial de interacción molecularsimulaciones ordenador moléculasinteracción coulomb cargasmodelo leonard jonesenergía potencial configuración molecular…Amundsen y Scott, exploradores del hielo, del hielo en particular y el diagrama de fases del agua en general, bueno pues es la simulación, la simulación por ordenador, que os quiero contar muy rápidamente cómo va esto de la simulación de materia condensada. La idea central es que si conocemos cómo interactúan las moléculas entre sí, podemos hacer que un ordenador pues imite su comportamiento. En la práctica esto requiere definir un potencial de interacción, una función que asigna una energía potencial a cada configuración de las moléculas, Energía que luego ya se intercambiará con cinética u otros grados de libertad, si hay vibración, etc. pues cuando las moléculas se menean Así la simulación explora el paisaje energético del modelo de potencial que estemos considerando En modelos clásicos estos potenciales son bastante simples describen solamente interacciones por pares entre centros de carga o átomos individuales. Estoy hablando de interacción de Coulomb entre cargas, esferas duras, era un modelo que se ha utilizado muchísimo, bolas de billar, Leonard Jones, que es un potencial suave con una repulsión y una atracción por Van der Waals, aunque obviamente la Naturaleza es mucho más compleja que estas esferas duras, ya existen interacciones de múltiples cuerpos, polarización y efectos cuánticos en general. Así que lo que hacemos con la simulación es construir una suerte de universo digital, si queréis, donde los…
Juan Carlos Gil explica las características del método Monte Carlo, destacando su capacidad para explorar diferentes configuraciones energéticas al permitir movimientos tanto descendentes como ascendentes.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #4método monte carlo explora configuraciones energéticasmovimientos ascendentes en método monte carlopaisaje energético y valles de energía con monte carlomonte carlo atraviesa montañas y cuestas…¿Por qué? Porque fueron Metropolis y los matrimonios Rosenbluth y Teller, él y ella, él y ella, los cinco, que es una curiosidad bastante simpática. Rosenbluth al cuadrado y Teller al cuadrado. Estamos llegando al final de la cara, no sé si quieres ir... Déjame que acabe con Monte Carlo y dejamos dinámica molecular; quería solamente decir que eso, que no reproduce los movimientos reales de las partículas, sino que va paseando Monte Carlo por el paisaje energético del modelo que sea, recorriendo valles donde la energía disminuye, pero y esa es la gracia, también se atreve a atravesar montañas, a subir cuestas, incluso contracorriente de tal forma que permite explorar posibles valles más allá de un collado y llegar a sitios pues de menos energía; no se queda directamente atrapado. Y dinámica molecular en la cara B. Bueno, pues vamos a explorar un poco la dinámica del agua entrando en el café, pasando por la cafetera, que eso también es un proceso bastante complejo. Y nada, les emplazamos a seguir esta conversión tan interesante en la cara B, donde también vamos a hablar…
Juan Carlos Gil explica cómo la dinámica molecular con potencial profundo (TPMD) combina precisión cuántica y velocidad de la dinámica molecular clásica, permitiendo refinar el método durante la simulación.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #2tpmd combina precisión cuántica velocidadaprendizaje activo refina método simulaciónred profunda calcula potencial partículadft feten optimiza configuraciones simulación…mostraron que podemos entrenar una red neuronal profunda para imitar la superficie de energía real cuántica dada por la DFT en lugar de tener que calcular la DFT completa en cada paso de la simulación. Vamos, yo me quedé de piedra, ultra ingenioso, así nace. La dinámica molecular con potencial profundo, TPMD, que combina las mejores cosas de ambos mundos: la precisión cuántica por una parte y la velocidad de la dinámica molecular clásica. Solo tienes que consultar la red profunda en cada paso de la simulación para que te dé el potencial en una partícula. Luego, en trabajos posteriores, refinaron el método con lo que llaman aprendizaje activo. El propio sistema durante la simulación, si se da cuenta, haciendo una serie de chequeos, que el potencial profundo que conoce empieza a no representar de forma óptima las configuraciones que le van saliendo en la simulación pues puede calcular esas configuraciones por un DFT chulo, FETEN, e incorporar esos nuevos valores al reentrenar la red e incorporarlo para seguir haciendo la simulación con un potencial refinado. Vale, os he hablado de agua por un poquito y también de simulación, pero todavía necesito introducir otra cosita antes de pasar al artículo, mezclando agua y simulación. ¿Qué modelos de agua se han utilizado para la simulación? Pues el primer modelo moderno…
Juan Carlos Gil explica las limitaciones de los modelos de agua existentes, señalando que no capturan fenómenos naturales como la autoionización debido a que asumen enlaces permanentes entre oxígeno e hidrógeno.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #15 · Palabras #14enlaces oxígeno e hidrógeno permanentesautoionización del agua naturalintercambio de hidrógenos entre moléculasdinámica molecular con potencial profundocálculo dft del mapa de potencial…de interacción que dio lugar a toda una familia de variantes con cuatro centros, cuyo campeón absoluto es el TIP 4P 2005, publicado por Abascal y Vega en 2005 y que sigue siendo a día de hoy el estándar de oro para simular agua y hielo con modelos rígidos. Pero todos estos modelos tienen una limitación grave y es que obviamente los enlaces, cada oxígeno tiene sus dos hidrógenos apareados de por vida, son sus hidrógenos y esos enlaces no se rompen, no capturan los fenómenos que ocurren en el agua natural como la autoionización, el intercambio de hidrógenos entre moléculas. Por eso la técnica esta de dinámica molecular con potencial profundo, que ignora el hecho de que hay moléculas construidas, simplemente calcula el DFT, el mapa de potencial completo, pues ha tenido mucho éxito precisamente para una sustancia tan paradigmática como el agua. El trabajo fundacional de Sang de 2018 usó precisamente el agua como modelo y lo han refinado varias veces desde entonces, bueno, hasta llegar al potencial para el agua llamado DP-SCAN de 2023 que reproduce de forma muy muy fiel todas las propiedades del agua…
Juan Carlos Gil describe el proceso de refinamiento de estructuras de hielo generadas por un algoritmo evolutivo, donde las estructuras iniciales se someten a una dinámica molecular para optimizar sus enlaces y configuraciones.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #8 · Palabras #3dinámica molecular y enlaces hidrógenoannealing para configuraciones establesoptimización geométrica mínima energía…En la primera iteración esto se calcula con un DFT completo, pero en iteraciones sucesivas ya se va utilizando el potencial neuronal profundo, lo cuento luego, pues que es muchísimo, muchísimo más rápido. El segundo paso a la derecha de este en la figura. Se llama evolución de estructuras. Estas estructuras crudas que ha generado la etapa anterior pasan por una dinámica molecular con este potencial profundo, de tal forma que las estructuras se relajan, los enlaces de hidrógeno se reorganizan, se escapan de posiciones forzadas que han podido llegar, incluso se someten a un recocido, a annealing, para favorecer que encuentren configuraciones lo más estables posibles. Y al final de esta etapa se hace una pequeña optimización geométrica para garantizar que cada estructura llega a eso, a un mínimo de energía al menos local. La tercera etapa, más allá de la derecha, se llama. Filtración o filtrado de estructuras, que es donde empieza la poda. Aquí nos llegan un montón de estructuras, nos queremos quedar con las prometedoras. Lo que se hace es que se coloca cada una de estas estructuras que llegan en un mapa de energía-densidad,…
Juan Carlos Gil describe el proceso final del ciclo iterativo para generar estructuras de hielo, explicando cómo se calcula la energía libre de las estructuras restantes después de múltiples refinamientos.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #4 · Palabras #11cálculo energía libre estructuras supervivientesdft refinamiento geometrías exactasdinámica molecular potencial porcentajesimulaciones energía libre estructuras…mejorar el potencial profundo, valga la redundancia de tanto profundo; era lo que antes llamábamos aprendizaje activo. Tenemos entonces estructuras mejores, potencial refinado y seguimos con el ciclo hasta que, después de dar las vueltas que sean necesarias, Convergen los dos puntos de decisión que hay en el diagrama y cuando es así nos salimos en el bloque final, abajo a la derecha de la figura, que pone cálculo de la energía libre con las estructuras supervivientes a todas estas perrerías, pues se relajan por última vez con un DFT ahora muy, muy, muy fino para obtener las geometrías exactas, perfectas y se calcula su energía libre mediante nuevas simulaciones por dinámica molecular con potencial porcentaje. No sé si habéis, bueno, montón de palabras; a mí es una belleza que me sublime ya lo que hacen aquí, cosa que yo desconocía; yo me salí de esto hace ya algunas décadas y he flipado. Resultados exploran 131.481 estructuras, más de 130.000. La figura 3 es el mapa de energía-densidad, energía-densidad que os comentaba antes y han puesto todos los puntitos de todas las estructuras; cada puntito azul clarito es una estructura. La línea Cian…