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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarsimulaciones ordenador diagrama fases aguaexploraciones polares amundsen y scottmateria condensada simulacion por ordenadorAmundsenScottJuan Carlos GilST2Leonard JonesSPCSPCETIP 4P 2005AbascalVegahielo LCoca-Colahielo 7JúpiterSaturnoFrancis VillatoroHéctor SocasNaturalezafigura 7Yu, Yao Chen YuHai Yan YuLaboratorio Estatal de Procesado por SolidificaciónUniversidad Politécnica del NoroesteChinahielo 4hielo 5hielo 17hielo 0Francis FetenGabriel SpinTierra
Simulación de Agua e hielo rígido
Con
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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.
…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…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil explica una propiedad inusual del agua: su densidad no siempre aumenta al enfriarse, sino que alcanza un máximo a 4 grados centígrados antes de disminuir.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #4densidad del agua a 4 grados centígradoshielo menos denso que aguacongelación del agua a 0 grados…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 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…
Juan Carlos Gil introduce un nuevo tema sobre los diferentes estados estructurales del agua, mencionando la existencia de agua líquida de baja, alta y muy alta densidad.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #11agua líquida baja densidadpresiones altas en planetas heladossimulaciones de fases del agua…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…
Juan Carlos Gil continúa explicando las diferentes formas en que puede congelarse el agua, mencionando la existencia de hielos amorfos de baja, media, alta y muy alta densidad.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #6 · Palabras #14hielos amorfos de baja densidadespectroscopía en cometas y lunas heladashielo amorfo depositado por vapormoléculas de agua sobre polvo interestelar…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 con espectroscopía razonablemente que aparecen en cometas y en las lunas heladas de Júpiter y Saturno y también hay una variante de este hielo amorfo de baja densidad que se llama hielo amorfo depositado 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…
Juan Carlos Gil explica los dos métodos principales para estudiar la complejidad del agua: experimentalmente 'in vitro' con equipos de laboratorio y mediante simulación por ordenador, denominando esta última 'insílico'.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #12agua experimentalmente in vitrosimulación por ordenador insílicoparalelismo in vitro en vivo insílico…bien y me lo apunté porque le dijo: mira, me dijo Juan Carlos, lo del agua es que no te lo acabas. O sea, puedes dedicar una vida científica y no te lo acabas, la mojigata molécula del agua. Vale, ¿cómo estudiamos entonces toda esta panoplia de diversidad? Pues de dos maneras fundamentalmente. In vitro, si me dejáis un poco el chiste, es decir, experimentalmente, ahí con el cacharrito, con el tubo de ensayo, e insílico, que sería mediante simulación por ordenador. Es que me gusta mucho esta expresión de insílico, haciendo un paralelismo a in vitro y en vivo, insílico en el chip, en la olea de silicio En el laboratorio se usan técnicas que permiten determinar cómo se ordenan las moléculas. La principal, con mucha diferencia, es la difracción de neutrones, tanto elástica como cuasi-elástica; pues se ha sido la herramienta fundamental para estudiar el agua y…
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 #1 · Palabras #1simulaciones 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 que los modelos de simulación del agua son simplificaciones de la realidad, ya que no consideran todas las interacciones complejas presentes en la naturaleza.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #9simulación del agua como universo digitalátomos y moléculas siguiendo potencialesfuerzas que marcan los potencialespropiedades estructurales y termodinámicas simuladastécnicas de física estadística aplicadasparametrizar potencial para simulacionestamaño de la bola en simulacionesprofundidad del pozo de potencialcalor de vaporización como magnitud…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 experimentales de la sustancia de interés como la densidad, el punto de ebullición o el calor de vaporización, que ha sido una magnitud que se ha utilizado clásicamente muchísimas veces. Bueno, pues eso sería la simulación de forma abstracta, pero a partir de ahí surgen dos grandes corrientes en cuanto a la simulación de materia condensada, Monte Carlo y dinámica molecular La técnica de Monte Carlo nace con las ideas de Markov a principios…
Juan Carlos Gil introduce el tema de los modelos de agua utilizados en simulaciones, como continuación a su explicación sobre dinámica molecular y simulación.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #8 · Palabras #2modelos de agua st2 simulaciónmolécula de agua rígida jonescargas tetraédricas en modelos aguamodelo spc para macromoléculastip 4p modelo abascal vegasimulación de agua e hielo rígido…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 se llama ST2 de 1974, una molécula de agua rígida con un centro Leonard Jones y cuatro cargas en disposición tetraédrica; es bastante natural para reproducir la tendencia tetraédrica de las moléculas de agua. En los años 80 llega el modelo SPC, Simple Point Charge, y su variante SPCE, que son muy sencillos, muy simples, muy robustos y todavía a día de hoy se siguen utilizando sobre todo para la envolvente acuosa de macromoléculas, en biología molecular y demás. En 1983 aparece un nuevo modelo llamado TIP 4P; el 4P viene de cuatro points, de cuatro centros 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…
Juan Carlos Gil plantea las preguntas científicas que guían el artículo sobre estructuras de polimorfos del hielo bajo presión, explorando el paisaje completo de estos polimorfos a bajas y medias presiones.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #17polimorfos del hielo bajo presiónfases nuevas del agua a bajas presionesexploración exhaustiva polimorfos hielopresiones medias hasta cien mil atmósferas…Lei, Xiang Yan Yu, Yao Chen Yu y Hai Yan Yu. No consigo nunca traer autores que pueda pronunciar, amigos. En fin, todos del Laboratorio Estatal de Procesado por Solidificación de la Universidad Politécnica del Noroeste, en Xi'an, China, como era de esperar. Vale, pues la pregunta científica que estos autores se plantean es: ¿Cómo es realmente el paisaje completo de los polimorfos del hielo a bajas y medias presiones? ¿Y qué fases nuevas del hielo, del agua, podrían esconderse ahí? Y lo que hacen es una exploración exhaustiva de los polimorfos del hielo desde una hasta cien mil atmósferas. Ojo, que a esto lo llaman ellos presiones medias, o sea que hay todavía campo hacia arriba de la presión. Vale, pues para ello los autores ponen a punto un método de predicción de estructuras cristalinas que está descrito en la figura 1 del artículo y que es su principal aportación metodológica, y que os tengo que contar rápidamente: primero para que os fascinéis…
Juan Carlos Gil describe cómo el método ha redescubierto fases conocidas de hielo, incluyendo hielos desafiantes como el 4, 5 y 17, así como estructuras predichas por otros autores.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #18hielos desafiantes como el 4 y 5esquivo hielo 17 metastableestructuras predichas simulaciones autoreshielo i latina minúscula no identificado…de filtrado. Entre ambas líneas están las estructuras que diría Francis Feten, que incluyen, ojo, todas las fases del hielo conocidas a este rango de presiones y temperaturas que el método, sorprendentemente para mí, ha redescubierto sin ningún problema. Incluidas destacan los autores, los desafiantes hielos 4 y 5, que son puñeteros, y el esquivo hielo 17, que es metastable. Todas las estructuras del hielo las recaza el método este. También encuentran varias estructuras que han sido predichas por simulaciones de otros autores como los hielos i latina minúscula, hielo 0, hielo Q mayúscula y hielo c minúscula. Alucinas con los nombres, que no se han identificado todavía experimentalmente. Pero bueno, tanto redescubriendo los hielos naturales como los todavía no descubiertos en la naturaleza, pues les da una enorme confianza que su método está funcionando fenomenal. Vale, pues además de todos los reportados previamente, encuentran 34 hielos nuevos dentro…
Juan Carlos Gil describe la ubicación del hielo L en una figura, señalando que está rodeado de diferentes tipos de hielo y agua líquida debido a las presiones y temperaturas existentes.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #5 · Palabras #17hielo l rodeado de hielo coca colaagua líquida bajo presión y temperaturapuntos triples en hielo lhielo l en el manto terrestrered autointerpenetrante de hielo lmoléculas de agua helicoidalesfigura 7 del estudio hielo l…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 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:…
Juan Carlos Gil resume los resultados de un estudio sobre el diagrama de fases del agua y la posible existencia de una nueva forma estable de hielo llamada 'hielo L'.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #20hielo l como polimorfo establediagrama de fases del aguafuncionales alrededor del hielo l…que se llama SCAN, pero al menos hay otros dos. Así que han cogido esos otros dos funcionales y han recalculado la envolvente convexa de la que hablábamos antes con esos dos funcionales a ver si salen cosas muy distintas, con lo cual perderíamos confianza. Y bueno, hay discrepancias entre los tres, pero argumentan que precisamente en la zona alrededor de su hielo L, bueno pues los tres funcionales dan cosas bastante parecidas, así que su diagnóstico es que el hielo L es un candidato prometedor a un nuevo polimorfo estable del hielo. Voy concluyendo. ¿Por qué creo yo que es importante lo que cuenta este artículo? Primero, por el fantástico resultado metodológico: han puesto a punto un método de exploración de estructuras de materia condensada que combina un algoritmo evolutivo para generar estructuras,…
Juan Carlos Gil responde a preguntas sobre el hielo 7, específicamente si podría dar origen a solitones en forma de rotones o mostrar comportamiento superfluido.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #19 · Palabras #5pregunta sobre el hielo 7 y rotoneshielo y preguntas de tomashector ausentarse brevementehielo 7 y solitones en rotonessuperfluido en hielo 7fase super iónica del hielo 7red de oxígenos rígida en el hielo 7…Así es como hay que presentarlo a la comunidad: el hielo aquí. Me quedaría con hielo aquí. He rebuscado, ¿eh? Héctor me tenía que ir en breve también, por si hay alguna pregunta sobre el agua y el hielo que hayas identificado. Había un par de ellas de tomas. Una de ellas es, ¿el hielo 7 podría dar origen a solitones en forma de rotones? Esa es para ti, Francis. Sí, porque... O sea, si es lo que es un solitón y un rotón me lo puedo inventar por el nombre, pero no tengo ni idea No, en principio, no Y después, ¿el hielo 7 empieza a tener comportamiento vagamente de superfluido? El hielo 7 era el que os decía que es una fase super iónica, entonces a lo mejor por ahí por el super se le ha colado. Pues en principio tampoco, no tiene por qué. Igual que los metales, que es la comparativa que he hecho, pues no son super fluidos. Desde luego la red de oxígenos está rígida y bien rígida. No hay nada super fluido ahí. Hay otra pregunta de Raúl que pregunta: ¿se incluyen las fuerzas de Van der Waals en las simulaciones? Me hace gracia porque Van der Waals se escribe, el Waals con W-A-A-L-S, que es un apellido holandés, pero lo ha escrito, no sé si era cosa del corrector,…
Juan Carlos Gil explica que el hielo para consumo humano es interesante por su carga bacteriana e iones, y advierte sobre los peligros del agua desionizada.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #10agua desionizada y absorción de sodiosiones en el hielo para consumo humanotécnicas milicú para desionizar aguaconsumo de agua pura es peligroso…de gasolinera o el de supermercado? Me gusta el comentario de Alicia, Van de bar en bar, Van de bar en bar, qué bueno. Ese es el hielo Héctor, ¿eh? Pues el hielo, hielo es Ojalá yo tuviera esas ocurrencias. Digo, que decía siguiendo con lo de la broma de La gasonera, que el hielo, hielo es, para consumo humano lo interesante es la carga bacteriana y los iones. Ah, aquí siempre me gusta decir: existe la posibilidad de desionizar, de quitarle muchísimos iones al agua, unas técnicas que se llaman de milicú. Ese agua desionizada es muy venenosa, por utilizar una palabra que seguramente es incorrecta, porque claro, no tiene iones; en cuanto te tomas un poquito, absorbe todo lo que puede de sodios y de potasios y de cloruros de tu cuerpo, y te deshidrata, paradójicamente. El pobre, o sea, el agua pura, no bebáis agua pura, muchachos: el agua natural con sus guarrerías es muy sana. El agua deshidrata podría ser un buen titular, sí. Muy bien, muy bien. Pues nada, Juan Carlos, que disfrutes. Muchas gracias, amigos, ya os leo. Un abrazo. Un placer. Hasta luego, Juan Carlos. Chao. Y no tenemos a nadie que entre en su lugar, me cachis. Nos vamos a quedar con uno menos, como cuando sacan una…
Héctor Socas responde a una pregunta planteada por Gabriel Spin sobre la procedencia del agua en la Tierra y si se puede estimar un porcentaje para su origen extraterrestre.
Habla: Héctor SocasPalabras #19agua extraterrestre en cometasasteroides ricos en aguaminerales hidratados y origen del agua terrestreformación de la tierra bola de lava…me apetece sacar porque me parece interesante y tiene que ver con lo que hemos estado hablando del agua y de los cometas y asteroides. Porque pregunta Gabriel Spin: ¿se puede hacer una aproximación porcentual sobre la procedencia del agua de nuestro planeta? No sé muy bien qué quiere decir con un porcentual, pero sabemos desde siempre que el agua de nuestro planeta es extraterrestre; o sea, nuestro planeta cuando se formó perdió toda su agua, porque era una bola de lava incandescente, y ahí no quedaba agua y se evaporó toda. Cuando se enfrió, el agua cayó del espacio; y siempre se había pensado que cayó en cometas, porque cometas, pues como son así de hielo, tienen mucha agua, pues parece que, y cayeron cometas también, pero últimamente hemos ido descubriendo que no solo cometas, los asteroides también tienen agua. Hay muchos asteroides que son muy ricos en agua, no como los cometas, con todo ese montón de hielo, pero son minerales hidratados; o sea, el agua está mezclada con la roca y está ahí. Entonces, lo que sí hemos visto, no tenemos una cifra exacta de cuánto cayó en cada tal, pero sí se ha visto recientemente, esto lo sacamos en un paper que comentamos en Coffee Break El paper salió en Nature, pero es más importante que salió…