Aplicaciones de la Química Teórica

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  LOGROS Y PERSPECTIVAS DE LA QUÍMICA TEÓRICA

   Estudiante: Emmanuel Romero Carreño

   Profesora: PhD Sandy María Pacheco Ortín

   Aplicaciones de la Química Teórica. Grupo: 2851. UNAM-FESC campo 1

   06 de Marzo de 2019

“Logros y perspectivas de la Química Teórica” es un artículo de divulgación científica que se centra en hacer un análisis cronológico de aquellas ideas y momentos decisivos que dieron lugar a progresos en el estudio de la estructura electrónica de la materia y sus consecuencias a nivel funcional de las moléculas, pues según el autor, ésta es “la búsqueda central de la investigación en Química Teórica”.

La Química Teórica es el esfuerzo conjunto de varias ciencias como son la Física, la Química, las Matemáticas y las Ciencias de la Computación. Por lo que, si Alberto Vela, el autor  del artículo, se centra únicamente en la revisión histórica de los métodos que se desarrollaron por los esfuerzos conjuntos de las ciencias antes mencionadas para la solución a los problemas de sistemas moleculares, es pues debido a que éstos son los que han generado directamente el avance de dicha ciencia. No obstante, hay que tener en cuenta que los avances individuales de cada una de las ciencias que forman parte del “escuadrón súperpoderoso” también influyeron en el desarrollo de la Química Teórica como la conocemos.

Otro aspecto importante que se desarrolla en el artículo, además de revisar cada uno de los avances en la comprensión de los niveles fundamentales de las moléculas; se establecen algunos puntos clave o parámetros que deben ser considerados en los futuros desarrollos científicos del área, pues es necesario no perder de vista la meta final de dicho campo de la ciencia.

SOBRE LA ESTRUCTURA DEL ARTÍCULO:

El artículo está organizado en 3 secciones:

• Introducción
• Logros
• Perspectivas

En “Introducción” se abordan los aspectos históricos que han marcado importantes avances en Química Teórica, desde los primeros intentos por aplicar la Mecánica Cuántica a resolver problemas en Química, lo que hoy se conoce como el inicio de la Química Cuántica, hasta el desarrollo de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), desarrollo análogo a encontrar la energía de un sistema molecular basado en la densidad electrónica de dicha molécula. Así entonces, la forma en que Alberto Vela, introduce a cada una de las etapas en la historia de la Química Teórica, es aunque breve (por falta de espacio, obviamente)  siempre muy clara y concisa.

En la sección de “Logros” el autor hace mención de algunas metas alcanzadas en el campo, que principalmente se deben a la precisión y refinamiento de los cálculos que, en gran medida se deben al enorme aumento de la potencia en los recursos computacionales pues impactan directamente en ello al ser una herramienta primordial en su desarrollo.

Finalmente en la sección de “Perspectivas” el autor establece como meta básica y de mediano alcance el estudio de “la materia en condiciones humanas” a lo que se refiere no es simplemente a realizar cálculos que proporcionen resultados que puedan ser reproducibles experimentalmente, si no más bien a estudiar la materia modelando objetos a escala humana, es decir, aquellos objetos que son observables sin necesidad de instrumentos especiales.

El autor hace uso de 3 elementos como apoyo al mayor entendimiento del contenido del artículo:

• Expresiones matemáticas. En muy pocos casos  es  necesario

apoyarse en la expresión para introducir al lector en contexto de las posibilidades o complicaciones históricas que conllevó a la solución de un problema en particular.

• Tablas comparativas. Recurso que mayormente ocupa el autor para establecer las diferencias, ventajas y desventajas de algunos métodos mencionados en el artículo.
• Esquemas. Los esquemas apoyan en la comprensión de algunos conceptos de mayor complejidad o que sería mucho más complicado explicar sin su uso. Por ejemplo la versión azteca de la escalera de Jacob o la escala de estudio de la materia.  

SOBRE EL ARTÍCULO EN CONTEXTO DE LA QUÍMICA TEÓRICA:

Alberto Vela comienza la revisión de los métodos teóricos en el estudio de la estructura electrónica con los métodos ab initio o de primeros principios. Aquí menciona aquellas técnicas matemáticas de aproximación para reducir el problema de resolver la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo de todo el sistema multielectrónico es decir, encontrar las posiciones de los núcleos y electrones hasta obtener una ecuación de Schrödinger que es independiente del tiempo para describir únicamente las posiciones de los electrones.

La característica principal de dichos métodos, además de las aproximaciones anteriores, es la introducción del determinante de Slater, puesto que nos permite asegurar el cumplimiento del principio de exclusión de Pauli al establecer que la función de onda solución es una función antisimétrica.

El método Hartree-Fock (HF) es el primer método desarrollado dentro de los métodos ab initio y según el autor, nos proporciona una descripción aceptable más no suficiente para hacer predicciones químicas.  Es decir, que si se quería mejorar la precisión de cálculo, lo que seguía era ir adicionando términos de combinaciones lineales de los orbitales solución en las que se tomaban en cuenta las interacciones entre los electrones a la solución dada por el método HF. Así entonces, cuando se agregan dichos términos se entiende que se están incluyendo las correlaciones electrónicas.

Los métodos que le siguieron en desarrollo a los ab initio fueron los semiempíricos en los que se agregaba información adicional a las ecuaciones para que el costo y tiempo de cálculo fueran menores. Alberto Vela, no se detiene a explicar más sobre su desarrollo sin embargo, los incluye en la Tabla 1, en donde describe las tres clases de métodos teóricos desarrollados para estudiar la estructura electrónica de la materia, desde el punto de vista de resolver la ecuación de Schrödinger.

El último método que describe el autor, es el de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) en donde explica con mayor profundidad la importancia del método dada la reducción considerable de variables. Muestra que la DFT es una implicación directa de dos teoremas muy importantes demostrados en el año 1964, generando así un aumento considerable en la confianza del método.

La aplicación o nuevos desarrollos dentro de la DFT implica, como el autor lo menciona, la introducción de funciones de base, es decir, una introducción de formas específicas de soluciones para realizar los cálculos dado a que de cualquier forma las ecuaciones encontradas, ya sea por uno u otro método, implica resolver ecuaciones “integro-diferenciales”.

Con una pequeña comparación de tres distintos funcionales y estableciendo sus diferencias, ventajas y desventajas, Alberto Vela termina el artículo generando expectativas para los próximos años en el