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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarpotencial específico y diagrama fases aguaintegración termodinámica para el aguadft estructuras a temperatura cerodiagrama de fases a temperaturas integradascálculo dft para diagrama de fasespotencial profundo y precisión experimentalfigura 6 comparativa experimentaldiagrama de fases y estabilidad hielo lhielo l nomenclatura poco acertadahielo celeste oportunidad perdidahielo l rodeado de hielo coca colaagua líquida bajo presión y temperaturapuntos triples en hielo lDFTJuan Carlos GilAmundsenScottTierrafigura 6Francis Villatorohielo LCoca-ColaTIP 4P 2005Gastón Giribetfigura 7hielo 5hielo 17hielo 20H2OHéctor Socashielo 1Hhielo 21SangDP-SCAN
Potencial específico y diagrama fases Agua
Con
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Juan Carlos Gil explica cómo se utiliza un potencial específico para calcular el diagrama de fases del agua, mencionando una técnica de integración termodinámica y advirtiendo sobre una complejidad que prefiere no explicar debido a las reacciones del público.
…de forma abierta, claro, y son dos millones de parámetros de la red neuronal entre pesos y sesgos, pues ahí hay dos millones de numeritos, también publican el código, con lo cual, pues fenomenal, ciencia abierta para seguir acercándonos a la realidad natural. Con ese potencial y utilizando integración termodinámica calculan el diagrama de fases del agua. Aquí hay una sutil cosa pero no me quiero meter porque ya me estáis empezando a mirar raro. La diferencia en el DFT da las estructuras a temperatura cero. Si quieres hacer un diagrama de fases a temperaturas pues tienes que integrar, tienes que ir enchufando la temperatura. Bueno, el caso es que calculan con su potencial profundo, con una precisión, dicen, equivalente, siempre con comillas, pero oye, es que si no sería imposible, pues a la quedaría una DFT de cada punto de ese diagrama de fases. Y lo comparan con el experimental, que está en la figura 6. Las líneas grises son el experimento y las rojas este trabajo. Y es en este diagrama de fases donde aparece el otro resultado fundamental de este trabajo: una región de estabilidad, encuentran en la línea. En la figura está coloreado de cian, una región de estabilidad que los autores llaman hielo L, que jolín, qué oportunidad perdida para haberlo llamado hielo cian y haber seguido jugando, haciendo ese jueguecillo del hielo amarillo o hielo celeste. Mira, hielo celeste, bueno, como se dice eso, bueno, el hielo L y realmente, ahora que lo pienso, no sé a qué viene la L. Hielo del cielo, más que celeste, hielo del cielo hubiera quedado. Vamos, que había, bueno. El caso es que está rodeado, si veis la figura pues lo ves, está rodeado de 4, del 1H, el hielo de la Coca-Cola. El 2, el 5 y el mismo agua líquida por debajo, porque está a presiones, está a temperaturas decentes dando lugar, por tanto, si existe a cuatro nuevos puntos triples, ¿vale? Según los autores, bueno pues podría existir en el manto terrestre o en el interior de planetas y lunas heladas. El hielo L lo tienen ahí en la simulación; tienen las coordenadas, analizan su estructura y resulta ser endiablada. La llaman red…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil continúa la conversación sobre la presencia y propiedades del agua en nuestro planeta, destacando su singularidad como sustancia que existe en estado gaseoso y sólido en la superficie terrestre.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #15agua en estado gaseoso y sólidodisolvente universal biología terrestremolécula de agua h2osingularidad del agua terrestre…que hay es agua Bueno, y en la Tierra, en forma líquida, ya sabes que cubre las tres cuartas partes del planeta, que quizá deberíamos haberle llamado planeta agua, en vez de planeta Tierra, pero es que además aparece de forma natural a presión atmosférica, También en forma gaseosa y sólida en nuestro planeta, en la superficie, lo que es realmente excepcional; eso no ocurre con ninguna otra sustancia y además, no se nos escapa, es el disolvente universal de la biología terrestre. Todos los organismos que conocemos dependen del agua. Su molécula es realmente simple: H2O, hidrógeno, oxígeno, hidrógeno. Y sin embargo, el agua se comporta de una forma muy, muy sorprendentemente compleja a veces. Para empezar, sonora a muchos, el agua al enfriarse no se hace más densa todo el rato como la gran mayoría de las sustancias en el camino hacia la congelación, sino que presenta un máximo de densidad a 4 grados centígrados a presión atmosférica, digo, y luego…
Juan Carlos Gil interrumpe la conversación para expresar su fascinación por las propiedades inusuales del agua y plantea si los estados líquidos-líquidos pueden existir en entornos cotidianos como los mares.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3hielo no hundirse crucial vidacapa de hielo aislante térmicoecosistemas acuáticos inviernos durosdiagrama de fases agua presión atmosféricablog francis complicado diagrama fasesagua líquida baja densidadpresiones altas en planetas heladossimulaciones de fases del agualíquido de baja densidadlíquido de alta densidadtransición de fase y discontinuidad bruscaagua estados líquidos líquidopresiones en la tierra maresmezcla de fases agua bebida…a presión atmosférica, digo, y luego disminuye un poquito a temperaturas más bajas, incluso cuando se congela el agua a 0 grados, de tal forma que el hielo es menos denso que el agua y por eso flota sobre ella, lo que podría ser una curiosidad sin más, pero No es así, es crucial para la vida. Si el hielo se hundiese, los lagos, los mares, al congelarse, pues lo harían de abajo hacia arriba y con toda probabilidad no estaríamos haciendo un podcast porque el planeta estaría muerto. En cambio, una pequeña capa de hielo cuando consigue formarse en la superficie de un lago actúa de aislante térmico y permite que el agua líquida por debajo, fresquita, pero hace que sobrevivan los ecosistemas acuáticos incluso en los inviernos más duros. Y decía, todo eso a presión atmosférica, porque cuando miramos al agua, toda esa complejidad a presión atmosférica, si la miramos a otras presiones, bueno, pues descubrimos que el agua tiene uno de los diagramas de fases más endiablado de cualquier sustancia pura. Estabas sintiendo Francis, vi que tienes una entrada en tu blog, me documenté para esto de noviembre de 2019 que llamaste Francis el complicado diagrama de fases del hielo de agua, y de eso. vamos a hablar. Para empezar, no existe un único agua líquida, sino que hay tres estados estructurales, digamos, llamados de baja densidad, de alta densidad y de muy alta densidad. No nos hemos complicado con esos nombres. Los dos primeros coexisten en condiciones normales, lo que yo llamo condiciones amables, mientras que el tercero aparece a presiones muy altas que podrían darse en el interior de los planetas helados. Más aún, tanto las simulaciones como la teoría apuntan a que el agua podría tener dos fases líquidas, verdaderas. No tres estados, sino verdaderas fases. ¿Qué diferencia hay entre lo ¿Que llamas estados y lo que llamas fases? En una transición de fase hay una discontinuidad brusca de determinadas propiedades y en esto de los estados no es así, pero es más interesante esto de efectivamente que hay o debería haber, no se han detectado inequívocamente de forma experimental, lo que llaman líquido de baja densidad y líquido de alta densidad, que estarían por tanto separados por un punto crítico líquido-líquido. Que mola mucho los puntos críticos son de las tres fases, pues este sería un líquido-líquido. Y seguimos con el lío del agua. El agua puede... Perdona que te interrumpa, es que esto me parece muy fascinante. ¿Puede ocurrir, por ejemplo, en los mares o tiene que ser a presiones que no se dan en la Tierra? El líquido, líquido. Dices: el punto, este está en condiciones normales. O sea, el agua que te bebes del vaso se teoriza que es una mezcla de esas dos fases. Es bastante flipante. Y mucha gente lo está persiguiendo, pero es muy, muy sutil. decía que puedes también congelar, enfriar mucho el agua sin cristalizar y dar lugar a hielos amorfos que, y a nadie le sorprende porque ya lo he dicho varias veces, los hay de baja, media, alta y muy alta densidad. Hay cuatro amorfos y se cree, bueno, se ve…
Juan Carlos Gil describe las estructuras inusuales del hielo, mencionando la existencia de fases ordenadas y desordenadas en protones, así como ejemplos específicos como el hielo 5 con anillos de moléculas de agua.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #14hielo cristalino y fases distintasfases del hielo condiciones presión temperaturahielo 1h fase hexagonal habitualhielo 1c variante cúbica metaestablehielo 21 descubierto hace dos mesesfases ordenadas y desordenadas en protoneshielo 5 con anillos de moléculas de aguaanillos hexagonales del hielo coca colared cristalina de oxígenos fases 17 y 20protones fluyen libremente en el hielo superiónico…por vapor que se cree que sería la forma de agua más abundante del universo porque se forma al hacerse deposición de moléculas de agua sobre los granos de polvo interestelar y ahí pues hay granos de polvo a mansalva. Y si nos metemos ya con el sólido, con el hielo cristalino, ¡boom! Aquí ya la diversidad explota. El hielo que ponemos en la Coca-Cola no es más que la punta del iceberg. ¡Ojo al chistaco! Que cuando se me ocurrió lo dejé, esto lo tengo que soltar. Ojo con la metáfora Conocemos, ojo al dato, 22 fases distintas del hielo, los dos partitos para que no se nos olvide Cada una con disposiciones moleculares específicas determinadas por las condiciones de presión y temperatura Desde el hielo 1H, que es la fase hexagonal habitual El 1C, que es una variante cúbica, de ahí la C, que es metaestable, y luego los hielos 2, 3, 4, así sucesivamente, se identifican con números romanos hasta llegar al hielo 21, que se ha descubierto hace menos de dos meses. Y luego hablaré de él, aunque no es el objetivo principal de lo que os quiero contar. Varios de estos hielos tienen, como decías antes Héctor, estructuras Rarísimas. Para empezar, hay muchas fases que vienen por parejas: una que se llaman ordenadas en protones y otras desordenadas en protones. Ahora no recuerdo números, pero es poner que el 5 y el 8 son la misma fase. Pero en una los hidrógenos están distribuidos de forma semi-aleatoria y en la otra están ordenados. Hay redes irregulares, como la del hielo 5, que es bastante particular, que tiene anillos de moléculas de agua de 4, 5, 6 y 8 moléculas. El hielo decente, el normalito, el de la Coca-Cola, tiene anillos hexagonales. Hay hielos superiónicos, las fases 17 y 20, en la que los oxígenos forman efectivamente una red cristalina. Pero los protones, volvemos a lo de antes, los cationes y hidrógeno fluyen libremente a través de esta red. de oxígeno, es como si fuese un metal, pero en vez de electrones son los protones los que fluyen Hay fases plásticas, el hielo 7, que se ha descubierto en febrero de este año, o sea, este mundo es una juarga, vamos El hielo 7, recién descubierto, es tal que…
Juan Carlos Gil explica que las simulaciones por ordenador son una herramienta clave para estudiar el diagrama de fases del agua, comparándolas con las exploraciones polares de Amundsen y Scott.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2 · Palabras #2simulaciones ordenador diagrama fases aguaexploraciones polares amundsen y scottmateria condensada simulacion por ordenador…se emplean celdas de yunque de diamante. Tanto en su versión estática como una razonablemente reciente, es una celda dinámica que es capaz de comprimir a lo bestia lo que le pongas ahí en microsegundos y está muy bien para estudiar cinéticas rápidas. Pero La herramienta que nos permite convertirnos en los 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…
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 #9enlaces oxígeno e hidrógeno permanentesautoionización del agua naturalintercambio de hidrógenos entre moléculasdinámica molecular con potencial profundocálculo dft del mapa de potencialtrabajo fundacional sang 2018potencial para el agua dp-scan 2023reproduce propiedades del agua líquida…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 líquida en un rango amplio de condiciones. Pero, ¿qué pasa con nuestros 22 patitos? ¿Qué pasa con los hielos? ¿Quién nos permite explorar ese vasto paisaje de enlaces de hidrógeno retorcidos bajo presión? Pues es aquí, es este en el contexto en el que aparece el artículo titulado Exploración de las estructuras de los polimorfos del hielo…
Juan Carlos Gil explica cómo se utiliza un potencial específico para calcular el diagrama de fases del agua, mencionando una técnica de integración termodinámica y advirtiendo sobre una complejidad que prefiere no explicar debido a las reacciones del público.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #1potencial específico y diagrama fases aguaintegración termodinámica para el aguadft estructuras a temperatura cerodiagrama de fases a temperaturas integradascálculo dft para diagrama de fasespotencial profundo y precisión experimentalfigura 6 comparativa experimentaldiagrama de fases y estabilidad hielo lhielo l nomenclatura poco acertadahielo celeste oportunidad perdidahielo l rodeado de hielo coca colaagua líquida bajo presión y temperaturapuntos triples en hielo l…de forma abierta, claro, y son dos millones de parámetros de la red neuronal entre pesos y sesgos, pues ahí hay dos millones de numeritos, también publican el código, con lo cual, pues fenomenal, ciencia abierta para seguir acercándonos a la realidad natural. Con ese potencial y utilizando integración termodinámica calculan el diagrama de fases del agua. Aquí hay una sutil cosa pero no me quiero meter porque ya me estáis empezando a mirar raro. La diferencia en el DFT da las estructuras a temperatura cero. Si quieres hacer un diagrama de fases a temperaturas pues tienes que integrar, tienes que ir enchufando la temperatura. Bueno, el caso es que calculan con su potencial profundo, con una precisión, dicen, equivalente, siempre con comillas, pero oye, es que si no sería imposible, pues a la quedaría una DFT de cada punto de ese diagrama de fases. Y lo comparan con el experimental, que está en la figura 6. Las líneas grises son el experimento y las rojas este trabajo. Y es en este diagrama de fases donde aparece el otro resultado fundamental de este trabajo: una región de estabilidad, encuentran en la línea. En la figura está coloreado de cian, una región de estabilidad que los autores llaman hielo L, que jolín, qué oportunidad perdida para haberlo llamado hielo cian y haber seguido jugando, haciendo ese jueguecillo del hielo amarillo o hielo celeste. Mira, hielo celeste, bueno, como se dice eso, bueno, el hielo L y realmente, ahora que lo pienso, no sé a qué viene la L. Hielo del cielo, más que celeste, hielo del cielo hubiera quedado. Vamos, que había, bueno. El caso es que está rodeado, si veis la figura pues lo ves, está rodeado de 4, del 1H, el hielo de la Coca-Cola. El 2, el 5 y el mismo agua líquida por debajo, porque está a presiones, está a temperaturas decentes dando lugar, por tanto, si existe a cuatro nuevos puntos triples, ¿vale? Según los autores, bueno pues podría existir en el manto terrestre o en el interior de planetas y lunas heladas. El hielo L lo tienen ahí en la simulación; tienen las coordenadas, analizan su estructura y resulta ser endiablada. La llaman red…
Juan Carlos Gil reflexiona sobre una estructura compleja del agua encontrada en una celda unidad, comparándola con ideas que podrían gustarle a Gastón Giribet. A continuación, plantea la cuestión de si el hielo L descrito es real o no.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #11estructura rara del agua celda unidadhielo l y discrepancias diagramas fasesdiagrama de fases calculan experimental…red autointerpenetrante, con dos tipos distintos de moléculas de agua: unas de ellas interconectadas en forma de cadenas helicoidales, mientras que otras moléculas unen estas hélices. Son las moléculas de color rojo y azul respectivamente en la figura 7. Además, si estuviese Gastón le gustaría; en la celda unidad hay hélices que giran en un sentido y otras que giran en el otro. A mí me dan tiempo infinito para inventarme una estructura rara del agua y no se me ocurre esta barbaridad. Bueno, la gran pregunta: ¿este hielo L es real o no? Hay que fijarse; a eso hacen los autores, en las discrepancias entre el diagrama de fases que calculan y es la experimental, que son visibles en la figura. Dicen los autores que la fuente principal de error de Su método es la selección del funcional para el término que se llama de intercambio o correlación de la teoría del funcional de la densidad. Bueno, un montón de palabras, pero es la clave del DFT; de hecho, a menudo nos llamamos a las distintas DFTs por qué…
Juan Carlos Gil comenta los resultados obtenidos al aplicar un método específico al estudio del agua a bajas y medias presiones.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #16agua a bajas y medias presioneshielos reales y potenciales profundosprecisión cuántica en el cálculo estructural…de densidad y una función de huella dactilar, un proceso de aprendizaje automático para reentrenar la red neuronal profunda, todo ello salpimentado con cálculos de la teoría del funcional de la densidad. En fin, no sé si alguien da más, pero es apabullante. Segundo resultado, al aplicar este método al agua, a bajas y medias presiones, han redescubierto todo lo que había por redescubrir. Los hielos reales, los sospechosos, propuestos anteriormente, lo que demuestra que el potencial profundo, hombre, describe la naturaleza de forma razonable. Ellos dicen siempre precisión cuántica. Bueno, el término podría ser discutible, pero realmente es una forma de calcular estas estructuras y sus energías muy próxima. A un DFT completo. Obviamente nadie ha podido hacer esto en toda la profundidad de presiones y temperaturas porque no había forma de hacerlo rápido. Por lo tanto, este método, en palabras de los autores y en mi opinión, abre una nueva etapa en el estudio del…