La química computacional permite diseñar nuevos materiales con propiedades únicas

La química computacional es una disciplina que fusiona la química y la informática. Se encarga de analizar y resolver problemas químicos mediante técnicas y herramientas computacionales. Emplea simulaciones y cálculos matemáticos para comprender y predecir el comportamiento y las propiedades de moléculas y materiales. También se han descubierto materiales con propiedades magnéticas extraordinarias, que podrían tener aplicaciones en el almacenamiento de información y la computación cuántica.

En los últimos años, la química computacional ha experimentado un notable progreso. Este ha sido impulsado por el desarrollo tecnológico y el aumento en la capacidad de procesamiento de los ordenadores. Esta revolución digital ha conducido a importantes descubrimientos en campos como la química y la petroquímica. Además de su utilidad en la optimización de materiales existentes, la química computacional también ha permitido el descubrimiento de nuevos materiales con propiedades sorprendentes. Por ejemplo, se han identificado compuestos con propiedades superconductoras a temperatura ambiente, lo que podría revolucionar la industria de la electrónica y la energía.

La revolución que hay y que viene de la química computacional

La química computacional se basa en los principios de la química cuántica. Esta última describe la conducta de las partículas subatómicas y sus interacciones. A través de ecuaciones y modelos matemáticos, los químicos computacionales pueden resolver problemas complejos y realizar predicciones precisas sobre el comportamiento molecular.

Esta ciencia computacional se emplea en diversas áreas, como la investigación farmacéutica, la industria química, la nanotecnología y la energía renovable. Facilita la rápida creación y desarrollo de nuevos materiales, la optimización de procesos químicos y la reducción de costos y tiempos de producción.

La química computacional ha revolucionado la investigación y el desarrollo de productos químicos y materiales. Así mismo, tiene un enorme potencial para seguir transformando numerosos campos científicos y tecnológicos en el futuro.

Una disciplina prometedora que genera muchas expectativas

Los materiales están en el centro de toda innovación tecnológica. Ya sea un nuevo fármaco, una célula solar, una batería o un catalizador, su rendimiento depende de su estructura y propiedades moleculares. Sin embargo, la cantidad de materiales que se pueden sintetizar es astronómicamente grande.

Los métodos tradicionales para el descubrimiento de materiales se basan en experimentos de prueba y error. Se sintetizan miles de candidatos y después es necesario probar sus propiedades uno por uno.

Este enfoque es costoso, requiere mucho tiempo, provoca grandes desperdicios y, con frecuencia, no tiene éxito. Por ejemplo, llevó décadas descubrir nuevos medicamentos para la tuberculosis o nuevos catalizadores para la síntesis del amoníaco utilizando estos métodos.

Por el contrario, la simulación guiada por computadora explora e identifica candidatos prometedores antes de sintetizarlos. El uso de la mecánica cuántica permite crear modelos sobre la forma como interactúan los átomos y forman moléculas. De ese modo, la química computacional puede predecir con precisión varias propiedades de los materiales.

Materiales bidimensionales (2D)

Los materiales bidimensionales (2D) son compuestos que ofrecen un rendimiento excepcional para diseñar heteroestructuras o dispositivos multifuncionales. Uno de los más llamativos es un nuevo compuesto basado en el gadolinio (Gd).

El gadolinio es un elemento químico del grupo de las tierras raras. Es conocido por tener siete electrones desaparejados y por su capacidad de actuar como refrigerante magnético.

Un equipo del Laboratorio de Nanociencia Molecular de la Universidad de Barcelona preparó un compuesto 2D de Gd(III) “en forma de material masivo de red reticular de cationes metálicos y ligandos orgánicos (metal-organic framework, MOF)”. Los compuestos de Gd(III) se activan a temperaturas extremadamente bajas, lo que los hace útiles como refrigerantes magnéticos.

El equipo consiguió que los nanocristales del compuesto crecieran en una superficie de silicio semiconductora. Esto es fundamental para su aplicación en dispositivos tecnológicos. Este compuesto podría utilizarse como refrigerante magnético en dispositivos a temperatura ambiente.

Un gran futuro

La química computacional tiene importantes aplicaciones en nuevos campos de estudio. En astroquímica, por ejemplo, se utiliza para simular procesos químicos en el espacio. En nanotecnología, se emplea para diseñar y optimizar nanomateriales. Y en energía renovable, se busca encontrar catalizadores más eficientes y materiales para celdas solares.

El futuro de la química computacional es prometedor. Tiene un potencial enorme para seguir explorando y descubriendo nuevos materiales. Sus aplicaciones en diversos campos auguran un futuro lleno de descubrimientos y avances tecnológicos que beneficiarán a la sociedad en su conjunto.

Algunas ventajas a resaltar

Uno de los aspectos más fascinantes de la química computacional es su capacidad para predecir las propiedades de un material antes de que este sea sintetizado en el laboratorio. Mediante simulaciones computacionales, los investigadores pueden estudiar la estructura molecular de un compuesto, su estabilidad, su reactividad química, sus propiedades mecánicas y térmicas, entre otros aspectos.

Un ejemplo destacado de los avances en la química computacional es el diseño de catalizadores para reacciones químicas. Los catalizadores son compuestos que aceleran las reacciones químicas sin ser consumidos en el proceso, y son fundamentales en la industria química y farmacéutica. Gracias a la química computacional, los científicos pueden optimizar la estructura de los catalizadores, mejorando su eficiencia y selectividad en las reacciones, lo que reduce los costos y los impactos ambientales de los procesos industriales.

Otro campo en el que la química computacional ha tenido un impacto significativo es en el diseño de materiales para aplicaciones en energía. Por ejemplo, se han desarrollado nuevos materiales para celdas solares más eficientes, baterías de mayor capacidad y durabilidad, y catalizadores para la producción de combustibles limpios.

Estos avances contribuyen a la transición hacia una economía más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

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