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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarpotencial de interacción molecularsimulaciones ordenador moléculasinteracción coulomb cargasmodelo leonard jonesenergía potencial configuración molecularsimulación del agua como universo digitalátomos y moléculas siguiendo potencialesfuerzas que marcan los potencialespropiedades estructurales y termodinámicas simuladastécnicas de física estadística aplicadasinteracciones de CoulombLeonard JonesVan der WaalsJuan Carlos GilNaturalezaTPMDDFTFETENTIP 4P 2005CO2DFT-FETENAlderWeimrechtsegunda ley de NewtonHéctor Socas
Potencial de interacción 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 átomos y las moléculas se mueven, chocan y se reorganizan siguiendo las fuerzas estas que marcan los potenciales y a partir de las posiciones y velocidades que vamos obteniendo, pues podemos deducir las propiedades estructurales y termodinámicas de la sustancia simulada pues aplicando técnicas de física estadística. Pero, y esto es lo importante, para que este universo Digital se parezca a nuestros cacharritos en el laboratorio, a la naturaleza real, pues es necesario parametrizar el potencial. Es decir, hay que ajustar sus parámetros: el tamaño de la bola, la profundidad del pozo de potencial para reproducir propiedades…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil explica cómo el momento dipolar y cuadrupolar de la molécula de agua influyen en las interacciones entre moléculas.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #4 · Palabras #13momento dipolar del aguamolécula de agua y enlaces covalentesenlaces de hidrógeno entre moléculas vecinascoordinación tetraédrica de oxígeno e hidrógenos…oxígeno-hidrógeno tienen bastante distinta electronegatividad, pues este angulito da lugar a un momento dipolar muy fuerte y a un momento cuadripolar apreciable; no es grandísimo pero es apreciable. El CO2, por ejemplo, es una molécula semejante en cuanto a, en fin, a estequiometría 1 y 2, pero es lineal, por tanto no tiene momento dipolar. El águla tiene un gran momento dipolar. Con este momento dipolar y cuadrupolar hace que no solo las moléculas se atraigan entre ellas, trocitos negativitos hacia trocitos positivitos, los hidrógenos, sino que lo hacen de manera direccional y esto va a ser la clave de todo. Cada oxígeno tiende a coordinarse de forma tetraédrica con cuatro hidrógenos, dos obviamente dentro de su propia molécula, mediante enlaces covalentes, y otros dos de moléculas vecinas con enlaces de hidrógeno, que creo que no lo he mencionado hasta ahora, o ese era mi objetivo para mencionarlo con la explicación En resumen, cuando decimos eso de que el agua es especial, pues no es solo una frase bonita. Hace unas semanas lo hablaba con Javier Fernández Panadero, que es físico, divulgador, cacharrista y amigo. Y lo resumió muy bien y me lo apunté porque le dijo: mira,…
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 molecularsimulación del agua como universo digitalátomos y moléculas siguiendo potencialesfuerzas que marcan los potencialespropiedades estructurales y termodinámicas simuladastécnicas de física estadística aplicadas…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 átomos y las moléculas se mueven, chocan y se reorganizan siguiendo las fuerzas estas que marcan los potenciales y a partir de las posiciones y velocidades que vamos obteniendo, pues podemos deducir las propiedades estructurales y termodinámicas de la sustancia simulada pues aplicando técnicas de física estadística. Pero, y esto es lo importante, para que este universo Digital se parezca a nuestros cacharritos en el laboratorio, a la naturaleza real, pues es necesario parametrizar el potencial. Es decir, hay que ajustar sus parámetros: el tamaño de la bola, la profundidad del pozo de potencial para reproducir propiedades…
Juan Carlos Gil explica cómo Héctor Socas le proporcionó la idea para el diseño de la portada del podcast, y continúa detallando los métodos de simulación utilizados en el estudio del agua, específicamente la dinámica molecular.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #20simulación dinámica molecular alder weimrechtfuerzas derivadas potencial newtonmovimiento real de las partículassegunda ley de newton aceleraciones…hemos inspirado, ¿verdad Héctor? En el resumen gráfico, en el abstract gráfico del paper, que es muy chulo. Bueno, tú te has inspirado en eso, yo me inspiré en ti, directamente pregunté: Juan Carlos, no tengo ni idea de qué hacer para la portada, ¿qué hago? Y ahí me diste esa idea. Vale, pues en mi larga introducción se había contado las rarezas del agua y que las solemos estudiar por simulación; que había dos formas: Monte Carlo y dinámica molecular, y me quedo en Monte Carlo. La dinámica molecular surge en 1957 con los trabajos pioneros de Alder y Weimrecht. A diferencia del Monte Carlo, esto es la clave de las dos técnicas: en dinámica molecular sí se sigue el movimiento real de las partículas. Primero se calculan las fuerzas derivadas del potencial que estamos considerando; lo conté también durante un ratito, se aplica la segunda ley de Newton para obtener las aceleraciones y se integran las ecuaciones del movimiento con esas aceleraciones con un paso de tiempo pequeñito para ir actualizando posiciones, vibraciones, etcétera, velocidades de todas las partículas. Eso es la dinámica molecular en ocho frases. Bueno, pues en 1985, han pasado 40 años desde las primeras simulaciones de dinámica molecular, Carr y Parrinello dieron un salto enorme a esto de la simulación por ordenador al unir la dinámica molecular con la…
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 #3tpmd 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 #3 · Palabras #8enlaces 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 explica cómo se mejora el potencial profundo en el proceso iterativo para generar estructuras de hielo, utilizando estructuras complejas que exceden un umbral de error energético.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #15error potencial profundo dft-fetenestructuras complejas umbral energéticoentrenamiento potencial profundo red profundaaprendizaje activo estructuras mejores…que tenemos en estos momentos están describiendo bien las estructuras rarunas que van saliendo con el proceso. Se eligen unas cuantas de ellas, hay una técnica para elegirlas y se calcula su DFT, su estructura y su potencial, bien con un DFT bien hecho. Si el error del potencial profundo respecto del DFT-FETEN supera los 3 milielectronvoltios por molécula, entonces se cogen esas estructuras complicadas y se alimentan a la última fase del ciclo, el entrenamiento del potencial profundo que os mencionaba antes. Se calcula un DFT superbueno y se alimenta con estas estructuras a la red profunda para 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…
Francis Villatoro explica una técnica utilizada para obtener imágenes mediante resonancia magnética nuclear.
Habla: Francis VillatoroPalabras #6resonancia magnética nuclear imágenesimpulso frecuencia resonancia magnética nuclearnúcleos átomos moléculas resonanciaspin núcleos ángulo resonancia…agua pegada, ese tipo de comportamiento por la tensión superficial. Exactamente, es básicamente la tensión superficial; claro, esto es muy diferente porque esto es un entorno muy cerrado, ¿vale? Estamos hablando de que hay, pero hay mucha agua que se mueve. Entonces, una de las técnicas de resonancia magnética nuclear, recordemos que la resonancia magnética nuclear permite obtener imágenes, básicamente se envían impulsos a ciertas frecuencias que interaccionan con los núcleos de átomos o los átomos que forman parte de moléculas; se interacciona también con moléculas y se, digamos, modifica el spin de esos núcleos haciéndolo que adquiera en un cierto ángulo. Entonces yo lanzo un pulso y después lanzo un segundo pulso. Entonces si entre los dos pulsos hay una diferencia de tiempo, pongamos de un milisegundo, se ha movido esa molécula; el eco que yo recibo de cada uno de esos pulsos está desfasado. Entonces,…