TECNOLOGÍA
Número 88
RECIBIDO: 12/03/2025; ACEPTADO: 03/06/2025; PUBLICADO:31/08/2026
La computación al servicio de la química
Alessandro Romo-Gutiérrez y Jaime Gustavo Rodríguez-Zaval
Resumen
El poder de cálculo de las computadoras, su capacidad para representar modelos matemáticos de manera eficaz y la facilidad para incorporar en ellas diversos códigos, paquetes y programas han hecho posible el desarrollo de investigaciones en el área de la química y la ciencia de materiales. Estas investigaciones se caracterizan por llevarse a cabo en un espacio virtual y no físico, sin perder por ello la validez de sus resultados ni la rigurosidad metodológica.
Palabras clave: Modelo, química computacional, teoría
Pongámonos en contexto
La era tecnológica ha tenido un enorme impacto en nuestra forma de vida en múltiples sentidos. De manera particular, este hecho se refleja en el quehacer científico cotidiano. Las herramientas computacionales representan hoy en día un aspecto de suma relevancia al considerar las vías mediante las cuales la ciencia y la tecnología avanzan y se sustentan. El desarrollo del conocimiento requiere esfuerzos transversales que contribuyan a investigaciones con diversos enfoques.
El entendimiento actual de los sistemas químicos y la descripción de la naturaleza en general han permitido desarrollar teorías muy precisas que abordan, de manera abstracta, aquello que compone la materia en una escala elemental. Los términos química computacional, química teórica y modelado molecular están intrínsecamente conectados por razones históricas y pragmáticas. El primero se refiere a la aplicación de las computadoras y su gran capacidad para el análisis y procesamiento de datos en la resolución de problemas o en la aplicación de métodos propios de la química teórica. Esta, a su vez, alude a la concepción de las sustancias, los compuestos y sus partículas fundamentales como entidades que pueden describirse mediante formulaciones basadas en el paradigma cuántico. El tercer término hace hincapié en la construcción de estructuras que faciliten el entendimiento del orden, la conectividad y la forma que presentan los sistemas químicos de interés.
Todo está en los modelos
Otro concepto de interés es el de simulación. Si bien no todos los fenómenos de la realidad pueden simularse con total exactitud y detalle, algunas de las propuestas que se han desarrollado a partir de la observación y el monitoreo de su comportamiento a lo largo del tiempo han resultado ser buenas aproximaciones. En el caso de la química, simular o predecir las propiedades de una sustancia o de una reacción constituye una vía confiable para comprender un proceso determinado, debido al gran bagaje de conocimiento que sustenta los modelos actuales. En ese sentido, la forma en que entendemos la composición y las propiedades de los materiales ha transitado hacia una visión que se vincula con la teoría cuántica; esto es, con descripciones matemáticas cuyo fundamento se encuentra en conjeturas rigurosamente planteadas.
Los modelos son construcciones útiles y racionales para entender el mundo. La representación de los sucesos que acontecen día con día mediante abstracciones es un ejercicio eficaz en la mayoría de las ciencias, y la química no es la excepción. Descifrar el entramado del mundo microscópico no es una tarea sencilla, pero los modelos son de gran ayuda. Uno de los modelos más simples de los que la química se vale es, quizá, el de la concepción del átomo como una esfera microscópica —ni hueca ni maciza— que se mueve a velocidades y en direcciones variables. A una escala todavía menor se encuentran sus componentes, como los electrones, protones y neutrones, que determinan el comportamiento de cada elemento y sus características. Para la química computacional, las partículas subatómicas son las que, al final de cuentas, guían la naturaleza y el alcance de los cálculos.
Algunos modelos representan indirectamente propiedades o situaciones que pueden medirse experimentalmente, por lo que su uso es muy importante en casos en los que resulta inviable llevar a cabo el proceso de la manera tradicional, ya sea por motivos económicos —como el costo de los insumos o reactivos—, por su complejidad o por el riesgo que podría representar para las personas o el ambiente.
Asimismo, estas propuestas son de gran utilidad cuando se requiere confirmar algún resultado llamativo o destacado, con el fin de hallar explicaciones lógicas desde la perspectiva de la estructura de las sustancias involucradas. Por ejemplo, la naturaleza vibratoria de las moléculas, que puede medirse mediante su interacción con la luz infrarroja —un tipo de radiación invisible que normalmente se manifiesta en forma de calor—, se describe a partir de resortes u osciladores que se elongan y contraen armónicamente, emulando el movimiento que realiza cada átomo en relación con los demás.
¡Manos a la computadora!
Para realizar una simulación o preparar un cálculo de química computacional, es necesario disponer de software especializado que tenga implementadas todas las herramientas y procedimientos que este tipo de tareas requiere, así como contar con una capacidad de cómputo suficiente para satisfacer las necesidades de memoria y procesamiento en todo momento. Las principales barreras para el funcionamiento óptimo de los equipos y las computadoras son, precisamente, sus características de fábrica y la capacidad que poseen para desempeñar las funciones que se pretenden. Respecto al tiempo destinado a las actividades delegadas a la máquina, resulta lógico que este dependa, además del tipo de cálculo, del nivel de aproximación que se utilice —es decir, de cuántos parámetros y grados de libertad se consideren en el archivo de entrada— y, como ya se mencionó, de la cantidad de partículas que intervienen.
Los dos enfoques principales de los cálculos químico-computacionales son los de tipo mecanocuántico o electrónico y los de mecánica molecular. El primero se refiere a aquellos procedimientos que tratan explícitamente con los electrones y están basados en los postulados de la teoría cuántica, mientras que el segundo aborda los problemas desde una perspectiva clásica y modela el átomo como una esfera, sin distinguir entre el núcleo y los electrones. Algunos de los programas de química computacional, tanto de código abierto como disponibles mediante licencia, son Gaussian 09 y 16, GAMESS, ORCA, NWChem y Molden. Cada uno de estos programas cuenta con funciones específicas y puede trabajar con uno o ambos enfoques, de acuerdo con las necesidades del usuario.
La secuencia típica de pasos para realizar un cálculo de química computacional comprende:
Diseño o construcción del sistema con el que se ha de trabajar, a partir de sus coordenadas y conectividad, o mediante una interfaz gráfica interactiva;
Elección del enfoque, el método y el tipo de trabajo —por ejemplo, una optimización de la estructura molecular y la aproximación que se desea utilizar—;
Análisis e interpretación de los resultados;
Obtención de propiedades e información de interés.
¿Qué tan complejo es un cálculo de química computacional? El rol de las máquinas
La representación matemática de algo tan simple como un átomo varía en grado de complejidad en función de la cantidad de electrones que posee. El átomo del elemento más simple, el hidrógeno, puede resolverse —y se ha resuelto— de manera exacta. En este contexto, resolver equivale a encontrar la energía, una de las propiedades más importantes que definen a cualquier sistema químico. Una molécula de agua, que contiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, por otro lado, está lejos de ser un caso trivial.
Uno de los principales problemas de la física clásica es el de los tres cuerpos. En él se busca describir las interacciones que pueden existir entre tres objetos de cualquier masa debido a la fuerza de gravedad que experimentan mutuamente; sin embargo, no es posible conocer con total certeza la posición en la que se encuentra cada uno ni la velocidad a la que se mueve en un momento determinado. Este problema se extrapola a la perspectiva cuántica, en el sentido de que no es posible encontrar la energía exacta de un sistema molecular o atómico cuando está compuesto por más de dos partículas. Esto ha dado lugar al desarrollo de múltiples metodologías y algoritmos que buscan aproximarse a la solución exacta del problema cuántico de las tres partículas.
El razonamiento orientado a atender sistemas con muchos electrones y moléculas medianas y grandes fue lo que, en un principio, condujo a la implementación de programas de química en equipos de cómputo, con el propósito de realizar los extensos procesos y operaciones matemáticas que, de otra manera, no hubieran sido siquiera imaginables con lápiz, papel o calculadora. La dificultad de estos cálculos aumenta exponencialmente y es sensible, como se ha reiterado, a la cantidad de electrones considerados. Incluso una computadora con una capacidad de procesamiento considerable podría tardar días, semanas o meses en realizar un cálculo, sin garantía de que el resultado llegue a converger.
Los alcances y aplicaciones de la química computacional
Una de las bondades de la química computacional es que permite obtener información de interés químico sin la necesidad de mezclar sustancias ni siquiera de entrar físicamente a un laboratorio. En la práctica, esta información puede incluir:
Optimización geométrica: Permite encontrar la estructura más estable desde el punto de vista energético.
Obtención de la energía del sistema y predicción de propiedades: Permite predecir propiedades termodinámicas, magnéticas y eléctricas.
Simulación de los espectros de absorción y emisión de las moléculas: Permite obtener un registro de cómo interactúan con la luz.
Analizar la reactividad química: Permite determinar con qué facilidad las diferentes sustancias se combinan con otras, en ocasiones de manera abrupta, así como analizar su estabilidad.
Los campos y disciplinas en los que estos resultados pueden ser de utilidad son muy amplios y no se limitan a trabajos aislados. El potencial de la química computacional conjuga transversalidad y multidisciplinariedad en áreas como la medicina, las energías renovables, los alimentos, la ingeniería, los procesos industriales y los materiales, entre otras.
La idea de la química como una ciencia puramente experimental ha ido desvaneciéndose gracias a la incorporación de tecnologías emergentes, como la informática y la electrónica. De este modo, ahora tenemos la enorme ventaja de poder investigar cómodamente los componentes de la materia con un solo clic.
Alessandro Romo-Gutiérrez. Estudiante del Doctorado en Ciencia y Tecnología (Nanotecnología y Materiales Avanzados), Universidad de Guadalajara. Guadalajara, Jalisco. alessandro.romo@academicos.udg.mx
Jaime Gustavo Rodríguez-Zavala. Profesor e investigador titular en la Universidad de Guadalajara. Guadalajara, Jalisco. jaime.rzavala@academicos.udg.mx
Cao Y., Romero J., Olson J.P., Degroote M., Johnson P.D., Kieferová M., Kivlichan I.D., Menke T., Peropadre B., Sawaya N., Sim S., Veis L., y Aspuru-Guzik A. (2019). Quantum chemistry in the age of quantum computing. Chemical Reviews, 119(19), 10856-10915. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00803
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