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Simulaciones de fases del Agua
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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 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 #2 · Palabras #2hielo 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 #14fases 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…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 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 #8agua 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 #4simulación 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 #7 · Palabras #3modelos de agua st2 simulaciónmolécula de agua rígida jonescargas tetraédricas en modelos agua…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…
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 #6 · Palabras #8potencial específico y diagrama fases aguaintegración termodinámica para el aguadft estructuras a temperatura cerodiagrama de fases a temperaturas integradas…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…
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 #11hielo l rodeado de hielo coca colaagua líquida bajo presión y temperaturapuntos triples en 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…
Francis Villatoro explica cómo el estudio del conectoma estructural implica observar el movimiento del agua dentro del encéfalo, comparando la situación con los trapos de agua en una estación de servicio y aclarando que se elimina la parte vascular.
Habla: Francis VillatoroPalabras #16agua líquida y sangre en el encéfalotrapos de agua estación de pacienciaaxones mielinizados y mielinadifusión del agua preferente dirección…ser? Resulta que el agua cuando se difunde cerca de hilos, de ovillos, el agua se difunde de forma anisótropa por esos ovillos. Sabéis que el agua tiene mucha tensión superficial que hace que el agua se ligue en capilares, en ovillos, sigue esos ovillos. ¿Pero qué fase del agua? Claro, claro: aquí tenemos agua líquida, básicamente sangre. Es un poco como cuando los trapos de agua en la estación de paciencia. Aquí se elimina la parte vascular. Es agua que se encuentra básicamente rodeando los axones mielinizados, que tienen esas pequeñas regiones con mielina, que hacen que el curso nervioso vaya más rápido. Ese agua que va como rodeando los axones va como canalizada en cierta dirección y cuando se difunde, no se difunde digamos en todas direcciones, sino que se difunde preferentemente en ciertas direcciones. Perdona, Borja. No, que me recordaba un poco; no sé si está bien, que se pega a los fascículos, a los hilos, un poco como los trapos en la Estación Espacial Internacional que los estrujan y se queda toda el agua pegada, ese tipo de comportamiento por la…
Francis Villatoro explica cómo, al analizar la difusión anisótropa del agua en el cerebro, puede reconstruir imágenes tridimensionales que representan los fascículos o hilitos de axones.
Habla: Francis VillatoroPalabras #11difusión anisótropa del agua cerebralfascículos o hilitos de axonesreconstrucción imágenes tridimensionales fascículosvectorcitos de fase y conectividad estructuralrepresentación conectividad estructural encéfalo…Eso yo en la imagen, cuando diferencio, cuando se dividen las imágenes, pero bueno, cuando aplico una operación sobre las dos imágenes que comparo, eso acaba dando un valor muy bajo, y digo: ahí no hay nada, ahí no hay nada de lo que me interesa. pero en los lugares en los que hay una difusión anisótropa, porque está guiada por esos esos hilos de axones, pues el agua se mueve y mantiene, digamos, la orientación. Hay como que las moléculas de agua se están moviendo en un cierto sentido y eso me va manteniendo las fases y tengo una cierta continuidad de la fase. Entonces, reconstruyendo esas imágenes de esos vectorcitos de fase, yo reconstruyo cada uno de los hilitos. Entonces, yo tengo unas imágenes en 3D, que son imágenes muy bonitas, en las que se ven muchos hilos, como hilitos dibujados como pequeños cilindros. ¿Cindritos que se curvan? y los coloreo con diferentes colores en función de la región de la que parten a la región a la que van y tengo una representación de la conectividad estructural de un encéfalo debido a esos axones. Esa es la técnica a nivel del año 2010; ahora en 2025, desde hace dos o tres años, se ha construido, se ha logrado obtener no solo un pequeño ángulo para la imagen en 2D, sino una imagen 3D en.…