Nanomedicinas del futuro se basará en la química cuántica
Hace años, los científicos de investigación de la Universidad de Oslo en Noruega fueron capaces de demostrar que la unión química en los campos magnéticos de las estrellas pequeñas y compactas , llamadas estrellas pequeñas blancas , es diferente de la de la Tierra . Sus cálculos apuntaban a un completamente nuevo mecanismo de enlace entre dos átomos de hidrógeno. La noticia atrajo gran atención en los medios de comunicación. El descubrimiento, que de hecho fue hecho antes de astrofísicos sí observa las primeras moléculas de hidrógeno en estrellas enanas blancas , fue realizado por el Centro de UiO de Química Teórica y Computacional . Ellos basan su trabajo en los cálculos químicos cuánticos precisas de lo que ocurre cuando los átomos y las moléculas están expuestos a condiciones extremas.
El equipo de investigación está dirigido por el profesor Trygve Helgaker , que durante los últimos treinta años ha tomado el liderazgo internacional en el diseño de un sistema informático para el cálculo de las reacciones químicas cuánticas en las moléculas .
Se necesitan cálculos de química cuántica para explicar lo que sucede con las trayectorias de los electrones dentro de una molécula .
Considere lo que ocurre cuando la radiación UV envía fotones muy energéticos en sus células . Esto aumenta el nivel de energía de las moléculas. El resultado bien puede ser que algunas de las moléculas de ruptura. Esto es exactamente lo que sucede cuando usted tomar el sol .
» La energía extra afectará el comportamiento de los electrones y puede destruir la unión química dentro de la molécula . Esto sólo puede explicarse por la química cuántica . Se utilizan los modelos de química cuántica para producir una imagen de las fuerzas y tensiones en juego entre los átomos y los electrones de una molécula, y de lo que se requiere para que una molécula de disociar » , dice Trygve Helgaker a la revista de investigación Apollon .
El mundo absurdo de los electrones
Los cálculos de química cuántica resolver la ecuación de Schrödinger para las moléculas . Esta ecuación es fundamental para toda la química y describe el paradero de todos los electrones en una molécula . Pero aquí tenemos que prestar atención, porque las cosas son realmente bastante más complicado que eso. Su profesor de física de la escuela secundaria le habrá informado de que los electrones giran alrededor del átomo. Las cosas no son tan simples , sin embargo, en el mundo de la física cuántica. Los electrones no son sólo las partículas , pero las ondas así . Los electrones pueden estar en muchos lugares al mismo tiempo. Es imposible hacer un seguimiento de su posición. Sin embargo , hay esperanza . Modelos químicos cuánticos describen posiciones estadísticos de los electrones . En otras palabras , pueden establecer la ubicación probable de cada electrón .
Los resultados de un cálculo químico cuántico a menudo son más precisos que lo que es factible experimentalmente.
Entre otras cosas, los cálculos químicos cuánticos pueden ser usados para predecir las reacciones químicas. Esto significa que los químicos ya no tendrán que depender de conjeturas en el laboratorio. También es posible usar los cálculos de química cuántica para entender lo que sucede en los experimentos.
cálculos enormes
Los cálculos son muy exigentes.
» La ecuación de Schrödinger es un muy complicado , la ecuación diferencial parcial , que no puede ser resuelto con exactitud . En su lugar , tenemos que conformarnos con simulaciones pesados» , dice el investigador Simen Kvaal .
Los cálculos son tan exigentes que los científicos usan una de las supercomputadoras más rápidas de la Universidad.
«Estamos constantemente estirando los límites de lo posible. Estamos limitados por la capacidad de la máquina disponible», explica Helgaker .
Hace diez años que tomó dos semanas para llevar a cabo los cálculos para una molécula con 140 átomos. Ahora se puede hacer en dos minutos.
» Eso es 20.000 veces más rápido que hace diez años. El proceso de cálculo se está ejecutando ahora 200 veces más rápido debido a que los ordenadores se han duplicado su velocidad cada dieciocho meses. Y el proceso es otros 100 veces más rápido debido a que el software ha sido un proceso de mejora constante» dice el ingeniero senior de Simen Reine .
Este año, el grupo de investigación ha utilizado 40 millones de horas de CPU, de los cuales doce millones eran en supercomputador de la Universidad, que está equipado con diez mil procesadores paralelos . Esto permite que diez mil horas de CPU para ser terminado y hecho con en 60 minutos.
» Siempre vamos a llenar la capacidad libre de la computadora. Cuanto mayor sea la capacidad computacional , los más grandes y más confiables los cálculos. »
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