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Revista - Divulgación de Ciencia y Educación
Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
4
Explorando la materia con Dinámica Molecular
César Augusto Camas-Flores 1
Introducción
Los átomos son aquellas partículas “indivisibles”
que forman la materia, tienen un tamaño lo
suficientemente pequeño que se podrían juntar en
línea unos diez mil millones de ellos para formar un
metro de largo. Esto nos lleva a pensar que el
análisis de su comportamiento y características se
vuelve muy complejo. Tan sólo el estudio de un
trozo de materia a escalas tan diminutas requiere,
en muchas ocasiones, de un tiempo considerable y
de grandes recursos económicos, así como
infraestructura sofisticada para efectuarlo a nivel
laboratorio de manera adecuada.
Alternativamente a la experimentación, una de las
líneas de investigación con grandes posibilidades
y resultados ha sido la simulación computacional a
través de distinto métodos y técnicas, usando
códigos de programación que permiten establecer
condiciones fisicoquímicas y/o termodinámicas
para escenarios de interacción atómica o
molecular, permitiendo el conocimiento de muchos
fenómenos a ese nivel con una alta confiabilidad.
Dentro de los métodos más empleados, con propias
ventajas y consideraciones, podemos mencionar a
la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT, por
sus siglas en inglés), el método de Montecarlo y la
Dinámica Molecular. Esta última es objeto de
discusión de este artículo.
¿Qué es la Dinámica Molecular?
La Dinámica Molecular (DM) es un método con el
cual se estudia la estructura, propiedades y
características de sistemas multicuerpos a través
del cálculo del movimiento de las partículas que los
componen. En otras palabras, el método emplea el
estudio de la dinámica de las partículas a partir de
las ecuaciones de Newton (Ley de inercia: relación
entre la fuerza y la aceleración, acción-reacción),
debido a que proporcionan las características
adecuadas para calcular las fuerzas entre ellas y
predecir su movimiento, conociendo así cómo será
su comportamiento en el tiempo. Es importante
hacer notar que, aunque la DM es un método
clásico (no cuántico), los principios de la Mecánica
Cuántica están inmersos en los cálculos hechos de
los potenciales energéticos empleados para cada
tipo de sistema atómico/molecular.
Este enfoque nos permite simular la evolución de
sustancias, compuestos o materiales en general a
nivel nanoscópico, en condiciones que podrían ser
difíciles o incluso imposibles de recrear en un
laboratorio, controlando parámetros tales como
temperatura, presión, volumen, energía o potencial
químico. De este modo, la DM brinda una
herramienta invaluable para comprender cómo se
comportan y reaccionan los materiales, lo que a su
vez podría tener aplicaciones en diversas áreas,
desde la química y la física hasta la biología e
ingeniería de materiales.
Bases de la Dinámica Molecular
La Dinámica Molecular tiene su base en las leyes de
la mecánica clásica. Esto implica que podemos
calcular los movimientos de cada partícula
considerando su energía interna (la energía total
almacenada en un sistema), conocer la fuerza a
partir de dicha energía, y si sabemos su masa,
podríamos llegar a calcular la respectiva
aceleración en un instante dado; después, con una
serie de integraciones, podemos determinar su
velocidad y su posición. El proceso será repetido
tantas veces como lo indique el total del tiempo
necesario para calcular las propiedades del
sistema deseado. La siguiente figura muestra un
diagrama de flujo del proceso completo de la
Dinámica Molecular. Para entender mejor el
proceso general del análisis de la Dinámica
Molecular, imaginemos que estamos observando
una caja llena de bolas de billar que en un inicio
están quietas (posición inicial).
Revista - Divulgación de Ciencia y Educación
Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
5
Diagrama de flujo de la DM.
Cada bola representa un átomo de un gas, y la
caja está a una temperatura específica
(temperatura inicial). La DM nos proporciona una
visión detallada de este sistema, donde podemos
no sólo ver el movimiento de cada esfera, sino
también entender cómo interaccionan entre sí a
medida que la temperatura aumenta. Si
observamos más de cerca, veríamos que las bolas
no se mueven de manera caótica e impredecible,
sino que siguen ciertas reglas de comportamiento.
Algunas bolas pueden chocar directamente entre
sí, cambiando su dirección y velocidad en el
proceso, mientras que otras pueden evitar el
contacto y seguir su trayectoria original. La
Dinámica Molecular es ese método que nos
permitiría analizar estos encuentros individuales y
predecir cómo se comportará todo el sistema de
moléculas a lo largo del tiempo.
A medida que ajustamos la temperatura de la
caja, podríamos observar cambios significativos en
el comportamiento de las moléculas. A mayor
temperatura, las moléculas se mueven más rápido
y chocan con más frecuencia, mientras que, a
menor temperatura, se vuelven más lentas y los
choques son menos frecuentes. Este tipo de
información nos permite comprender mejor cómo
reaccionan los gases en diferentes condiciones y
cómo podemos manipularlas para lograr ciertos
resultados deseados, como en la fabricación de
productos químicos o en la comprensión de
fenómenos atmosféricos. Este mismo ejercicio
podría servir para líquidos y sólidos, con las
condiciones físicas propias en cada caso. La figura
siguiente ilustra el ejemplo expuesto.
Ejemplo de sistema de estudio para la DM.
Aplicaciones de la DM
La Dinámica Molecular es una poderosa
herramienta computacional aplicada en diversos
sistemas, desde moléculas orgánicas para estudiar
aspectos biológicos o químicos, hasta otros
sistemas de materiales como metales y
semiconductores en donde podemos estudiar
propiedades termodinámicas. En el campo de la
química, la Dinámica Molecular se utiliza para
predecir propiedades y cinéticas de reacciones
químicas. Esto resulta útil en el diseño de nuevos
materiales, la optimización de procesos químicos y
la comprensión de la actividad de productos
químicos en sistemas biológicos. Asimismo, la
nanotecnología ha sido fundamental para
comprender fenómenos como la difusión de
partículas, la transición de fase de materiales, la
conductividad térmica y eléctrica. Estas, también
son propiedades importantes, ya que las vemos
reflejadas en aplicaciones específicas de la vida
cotidiana tales como la construcción, el uso de
electrodomésticos, la ropa, los cosméticos, los
utensilios de cocina, la depuración del agua, los
alimentos que consumimos, entre otras.
En relación a lo anterior, podemos describir
algunos ejemplos de tales aplicaciones. En la
construcción, la Dinámica Molecular y la
Revista - Divulgación de Ciencia y Educación
Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
6
nanotecnología se utilizan en el desarrollo de
materiales más resistentes y livianos, como el
concreto reforzado con nanotubos de carbono,
que es más duradero y tiene una mayor resistencia
a la compresión; en la ropa, se pueden analizar los
tejidos tratados con nanopartículas, los cuales
pueden volverse repelentes al agua o a las
manchas; en cosméticos, la nanotecnología y la DM
se utilizan para analizar la creación de cremas y
protectores solares con partículas diminutas que
se distribuyen de manera uniforme sobre la piel,
proporcionando una protección más eficaz contra
los rayos UV.
Otras aplicaciones interesantes se logran en el
campo de la medicina, ya que con la Dinámica
Molecular podemos analizar la interacción de
fármacos con proteínas, enzimas y otras
biomoléculas, lo que permite comprender cómo
funcionan los medicamentos a nivel molecular y
cómo pueden ser diseñados para mejorar su
eficacia y reducir sus efectos secundarios. Además,
la DM también se utiliza para estudiar la estructura
y dinámica de proteínas y ácidos nucleicos, lo que
es crucial para comprender enfermedades como el
Alzheimer y el cáncer, diseñando mejores
estrategias para revertir sus efectos.
Dinámica Molecular y algunas aplicaciones de
interés en diversas áreas de la ciencia y la
tecnología.
Comentario final
La Dinámica Molecular es una herramienta de
simulación computacional versátil y eficaz basada
en la mecánica clásica, que propone una
alternativa interesante a la experimentación a nivel
laboratorio. La DM ha tenido un impacto
significativo en diversas áreas como la química,
física y medicina, permitiendo avances importantes
en la comprensión y aplicación de fenómenos a
nivel atómico y molecular. Esto se ha reflejado en
aplicaciones más eficientes que nos rodean en
nuestra comida, los medicamentos que mejoran
nuestra salud, los equipos electrodomésticos que
facilitan nuestras labores, así como los compuestos
químicos que mejoran los cultivos en el campo.
Palabras clave: simulación computacional;
propiedades fisicoquímicas; materiales
semiconductores; nanotecnología.
1 César Augusto Camas-Flores: Es doctor en
materiales y sistemas energéticos renovables y
profesor adscrito a la Universidad Politécnica de
Chiapas, con experiencia en simulación
computacional de sistemas atómicos a nano y
microescala.
Contacto: ccamas@ie.upchiapas.edu.mx
Lecturas recomendadas
Frenkel, D., & Smit, B. (2023). Understanding
Molecular Simulation: From Algorithms to
Applications, 3ra Edición, 1–728.
https://doi.org/10.1016/C2009-0-63921-0.
Hénin, J., Lelièvre, T., Shirts, M. R., Valsson, O., &
Delemotte, L. (2022). Enhanced sampling methods
for molecular dynamics simulations. Living
Journal of Computational Molecular Science, 4(1).
https://doi.org/10.33011/livecoms.4.1.1583.
Hollingsworth, S. A., & Dror, R. O. (2018). Molecular
Dynamics Simulation for All. Neuron, 99(6), 1129–
1143. https://doi.org/10.1016/J.NEURON.2018.08.011.
Victoria-Valenzuela D., Morales-Cepeda A.B. (2023).
Modelación matemática para predecir reacciones
químicas. Revista - Divulgación de Ciencia y
Educación, Redicye, 1 (3), 34-36.
https://redicye.upeg.edu.mx/2023/12/30/modelaci
on-matematica-para-predecir-reacciones/.
Recibido: febrero 23 de 2024
Aceptado: marzo 31 de 2024
Publicado: mayo 10 de 2024

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Explorando la materia con Dinámica Molecular

  • 1. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 4 Explorando la materia con Dinámica Molecular César Augusto Camas-Flores 1 Introducción Los átomos son aquellas partículas “indivisibles” que forman la materia, tienen un tamaño lo suficientemente pequeño que se podrían juntar en línea unos diez mil millones de ellos para formar un metro de largo. Esto nos lleva a pensar que el análisis de su comportamiento y características se vuelve muy complejo. Tan sólo el estudio de un trozo de materia a escalas tan diminutas requiere, en muchas ocasiones, de un tiempo considerable y de grandes recursos económicos, así como infraestructura sofisticada para efectuarlo a nivel laboratorio de manera adecuada. Alternativamente a la experimentación, una de las líneas de investigación con grandes posibilidades y resultados ha sido la simulación computacional a través de distinto métodos y técnicas, usando códigos de programación que permiten establecer condiciones fisicoquímicas y/o termodinámicas para escenarios de interacción atómica o molecular, permitiendo el conocimiento de muchos fenómenos a ese nivel con una alta confiabilidad. Dentro de los métodos más empleados, con propias ventajas y consideraciones, podemos mencionar a la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT, por sus siglas en inglés), el método de Montecarlo y la Dinámica Molecular. Esta última es objeto de discusión de este artículo. ¿Qué es la Dinámica Molecular? La Dinámica Molecular (DM) es un método con el cual se estudia la estructura, propiedades y características de sistemas multicuerpos a través del cálculo del movimiento de las partículas que los componen. En otras palabras, el método emplea el estudio de la dinámica de las partículas a partir de las ecuaciones de Newton (Ley de inercia: relación entre la fuerza y la aceleración, acción-reacción), debido a que proporcionan las características adecuadas para calcular las fuerzas entre ellas y predecir su movimiento, conociendo así cómo será su comportamiento en el tiempo. Es importante hacer notar que, aunque la DM es un método clásico (no cuántico), los principios de la Mecánica Cuántica están inmersos en los cálculos hechos de los potenciales energéticos empleados para cada tipo de sistema atómico/molecular. Este enfoque nos permite simular la evolución de sustancias, compuestos o materiales en general a nivel nanoscópico, en condiciones que podrían ser difíciles o incluso imposibles de recrear en un laboratorio, controlando parámetros tales como temperatura, presión, volumen, energía o potencial químico. De este modo, la DM brinda una herramienta invaluable para comprender cómo se comportan y reaccionan los materiales, lo que a su vez podría tener aplicaciones en diversas áreas, desde la química y la física hasta la biología e ingeniería de materiales. Bases de la Dinámica Molecular La Dinámica Molecular tiene su base en las leyes de la mecánica clásica. Esto implica que podemos calcular los movimientos de cada partícula considerando su energía interna (la energía total almacenada en un sistema), conocer la fuerza a partir de dicha energía, y si sabemos su masa, podríamos llegar a calcular la respectiva aceleración en un instante dado; después, con una serie de integraciones, podemos determinar su velocidad y su posición. El proceso será repetido tantas veces como lo indique el total del tiempo necesario para calcular las propiedades del sistema deseado. La siguiente figura muestra un diagrama de flujo del proceso completo de la Dinámica Molecular. Para entender mejor el proceso general del análisis de la Dinámica Molecular, imaginemos que estamos observando una caja llena de bolas de billar que en un inicio están quietas (posición inicial).
  • 2. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 5 Diagrama de flujo de la DM. Cada bola representa un átomo de un gas, y la caja está a una temperatura específica (temperatura inicial). La DM nos proporciona una visión detallada de este sistema, donde podemos no sólo ver el movimiento de cada esfera, sino también entender cómo interaccionan entre sí a medida que la temperatura aumenta. Si observamos más de cerca, veríamos que las bolas no se mueven de manera caótica e impredecible, sino que siguen ciertas reglas de comportamiento. Algunas bolas pueden chocar directamente entre sí, cambiando su dirección y velocidad en el proceso, mientras que otras pueden evitar el contacto y seguir su trayectoria original. La Dinámica Molecular es ese método que nos permitiría analizar estos encuentros individuales y predecir cómo se comportará todo el sistema de moléculas a lo largo del tiempo. A medida que ajustamos la temperatura de la caja, podríamos observar cambios significativos en el comportamiento de las moléculas. A mayor temperatura, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia, mientras que, a menor temperatura, se vuelven más lentas y los choques son menos frecuentes. Este tipo de información nos permite comprender mejor cómo reaccionan los gases en diferentes condiciones y cómo podemos manipularlas para lograr ciertos resultados deseados, como en la fabricación de productos químicos o en la comprensión de fenómenos atmosféricos. Este mismo ejercicio podría servir para líquidos y sólidos, con las condiciones físicas propias en cada caso. La figura siguiente ilustra el ejemplo expuesto. Ejemplo de sistema de estudio para la DM. Aplicaciones de la DM La Dinámica Molecular es una poderosa herramienta computacional aplicada en diversos sistemas, desde moléculas orgánicas para estudiar aspectos biológicos o químicos, hasta otros sistemas de materiales como metales y semiconductores en donde podemos estudiar propiedades termodinámicas. En el campo de la química, la Dinámica Molecular se utiliza para predecir propiedades y cinéticas de reacciones químicas. Esto resulta útil en el diseño de nuevos materiales, la optimización de procesos químicos y la comprensión de la actividad de productos químicos en sistemas biológicos. Asimismo, la nanotecnología ha sido fundamental para comprender fenómenos como la difusión de partículas, la transición de fase de materiales, la conductividad térmica y eléctrica. Estas, también son propiedades importantes, ya que las vemos reflejadas en aplicaciones específicas de la vida cotidiana tales como la construcción, el uso de electrodomésticos, la ropa, los cosméticos, los utensilios de cocina, la depuración del agua, los alimentos que consumimos, entre otras. En relación a lo anterior, podemos describir algunos ejemplos de tales aplicaciones. En la construcción, la Dinámica Molecular y la
  • 3. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 6 nanotecnología se utilizan en el desarrollo de materiales más resistentes y livianos, como el concreto reforzado con nanotubos de carbono, que es más duradero y tiene una mayor resistencia a la compresión; en la ropa, se pueden analizar los tejidos tratados con nanopartículas, los cuales pueden volverse repelentes al agua o a las manchas; en cosméticos, la nanotecnología y la DM se utilizan para analizar la creación de cremas y protectores solares con partículas diminutas que se distribuyen de manera uniforme sobre la piel, proporcionando una protección más eficaz contra los rayos UV. Otras aplicaciones interesantes se logran en el campo de la medicina, ya que con la Dinámica Molecular podemos analizar la interacción de fármacos con proteínas, enzimas y otras biomoléculas, lo que permite comprender cómo funcionan los medicamentos a nivel molecular y cómo pueden ser diseñados para mejorar su eficacia y reducir sus efectos secundarios. Además, la DM también se utiliza para estudiar la estructura y dinámica de proteínas y ácidos nucleicos, lo que es crucial para comprender enfermedades como el Alzheimer y el cáncer, diseñando mejores estrategias para revertir sus efectos. Dinámica Molecular y algunas aplicaciones de interés en diversas áreas de la ciencia y la tecnología. Comentario final La Dinámica Molecular es una herramienta de simulación computacional versátil y eficaz basada en la mecánica clásica, que propone una alternativa interesante a la experimentación a nivel laboratorio. La DM ha tenido un impacto significativo en diversas áreas como la química, física y medicina, permitiendo avances importantes en la comprensión y aplicación de fenómenos a nivel atómico y molecular. Esto se ha reflejado en aplicaciones más eficientes que nos rodean en nuestra comida, los medicamentos que mejoran nuestra salud, los equipos electrodomésticos que facilitan nuestras labores, así como los compuestos químicos que mejoran los cultivos en el campo. Palabras clave: simulación computacional; propiedades fisicoquímicas; materiales semiconductores; nanotecnología. 1 César Augusto Camas-Flores: Es doctor en materiales y sistemas energéticos renovables y profesor adscrito a la Universidad Politécnica de Chiapas, con experiencia en simulación computacional de sistemas atómicos a nano y microescala. Contacto: ccamas@ie.upchiapas.edu.mx Lecturas recomendadas Frenkel, D., & Smit, B. (2023). Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, 3ra Edición, 1–728. https://doi.org/10.1016/C2009-0-63921-0. Hénin, J., Lelièvre, T., Shirts, M. R., Valsson, O., & Delemotte, L. (2022). Enhanced sampling methods for molecular dynamics simulations. Living Journal of Computational Molecular Science, 4(1). https://doi.org/10.33011/livecoms.4.1.1583. Hollingsworth, S. A., & Dror, R. O. (2018). Molecular Dynamics Simulation for All. Neuron, 99(6), 1129– 1143. https://doi.org/10.1016/J.NEURON.2018.08.011. Victoria-Valenzuela D., Morales-Cepeda A.B. (2023). Modelación matemática para predecir reacciones químicas. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación, Redicye, 1 (3), 34-36. https://redicye.upeg.edu.mx/2023/12/30/modelaci on-matematica-para-predecir-reacciones/. Recibido: febrero 23 de 2024 Aceptado: marzo 31 de 2024 Publicado: mayo 10 de 2024