Química cuántica en el banco de pruebas

28.07.2022 - Alemania

En el futuro, cada vez se diseñarán, probarán y desarrollarán más fármacos, materiales y catalizadores utilizando únicamente simulaciones por ordenador. Sin embargo, esto requiere algoritmos lo suficientemente precisos como para predecir la química de la vida real. Un ejemplo concreto es la catálisis, en la que las constantes de velocidad elementales (la velocidad a la que se producen las reacciones) pueden modelizarse mediante métodos de química cuántica.

Un equipo de la Universidad de Gotinga y del Instituto Max Planck de Ciencias Naturales Multidisciplinares de Gotinga ha logrado determinar las constantes de velocidad elementales para la recombinación de átomos de hidrógeno en el platino para formar moléculas de hidrógeno.

Desgraciadamente, en el desarrollo de las simulaciones informáticas se utilizan muchas aproximaciones simplificadoras para que el respectivo problema sea computable, lo que va en detrimento de la capacidad de predicción. Por si fuera poco, son muy pocas las constantes de velocidad elementales que se conocen a partir de experimentos y que son lo suficientemente precisas como para servir de valores de referencia críticos. A lo largo de los últimos tres años y medio, el Grupo de Formación en Investigación BENCh de la Universidad de Gotinga ha proporcionado datos cruciales para probar y mejorar las simulaciones por ordenador y ahora ha alcanzado un hito importante.

El actual estudio experimental de Göttingen se refiere a la reacción química más sencilla posible en una superficie catalítica, cuya constante de velocidad no podía determinarse hasta ahora y era inalcanzable para la simulación. Los autores muestran que una importante contribución a la discrepancia entre la teoría y el experimento se debe a la consideración incorrecta de los efectos cuánticos nucleares, que están relacionados con la baja masa del átomo de hidrógeno. Un método de mecánica clásica que no podía tener en cuenta el principio de incertidumbre de Heisenberg predecía una entropía demasiado baja del adsorbato, lo que daba lugar a un error de hasta tres órdenes de magnitud en la constante de velocidad. Además, el equipo presentó pruebas claras de la importancia del espín de los electrones en las reacciones químicas en las superficies metálicas, un efecto cuántico hasta ahora ignorado en la catálisis heterogénea computacional.

El Grupo de Formación en Investigación también organiza los llamados Blind Challenges, en los que diferentes métodos y programas informáticos compiten entre sí en la búsqueda de los algoritmos más robustos. El concurso Fe-MAN (Ferrates - Microkinetic Assessment of Numerical Quantum Chemistry), en el que grupos de todo el mundo se enfrentan al reto de predecir in silico las constantes de velocidad medidas en el laboratorio Koszinowski de Göttingen, se desarrollará hasta el 15 de septiembre de 2022. "Nuestro objetivo es crear puntos de referencia que resistan el paso del tiempo en el desarrollo de software de química cuántica, al tiempo que evaluamos honestamente en qué punto nos encontramos", afirma el Prof. Dr. Ricardo Mata, portavoz del Grupo de Formación en Investigación.

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