'Podemos hacer química virtual con los ordenadores'

Tom Ziegler (Copenhague, 1945) está considerado uno de los expertos con mayor ascendencia en el complejo mundo de la simulación informática de moléculas y reacciones químicas. Suyo es el primer software desarrollado en este campo, la aplicación ADF (por Amsterdam Density Functional), hace la friolera de 25 años, y suyos son también los algoritmos y aplicaciones que hoy usan buena parte de los laboratorios de todo el mundo para entender cómo afecta el entorno a una reacción en un medio líquido. 'Soy el Bill Gates de la química teórica', cuenta divertido. Pero, a diferencia del propietario de Microsoft, matiza: 'No creo que vaya a hacerme rico nunca'. Ziegler, investigador de la Universidad de Calgary (Canadá), participó en el congreso sobre Estructura Electrónica y Reactividad Química celebrado recientemente en la Universidad Autónoma de Barcelona.

'Soy el Bill Gates de la química teórica, pero no creo que me haga nunca rico con esto'

'En comparación con otros materiales, el plástico es mucho más limpio'

Pregunta. Parece como si hubiera mucha competencia en su campo.

Respuesta. Por desgracia, no soy el único en el mercado, aunque sí fui el primero. Ahora mismo habrá al menos 6 o 7 programas informáticos con funciones similares, pero el mío es el más popular. En química computacional hay dos escuelas claramente distintas. Tuve la suerte de apostar por la que finalmente ha prevalecido, que es por la que Walter Kohn recibió el Premio Nobel en 1998. Según la misma, basta sólo con considerar la densidad electrónica en lugar de la de cada uno de los electrones. La teoría permitió simplificar las ecuaciones multidimensionales, extraordinariamente complejas, que describen el movimiento de los electrones.

P. ¿Y qué tiene que ver eso con la puesta a punto de un programa informático de química teórica?

R. La verdad es que mucho. De lo que se trata es de desarrollar métodos para resolver ecuaciones a través de modelos informáticos, y ahí es donde entra la teoría de Kohn. En mi caso concreto, para estudiar los aspectos ambientales de las reacciones químicas para que los modelos resultantes sean más y más realistas. Hace 15 años trabajábamos con moléculas únicas, mientras que hoy ya podemos aproximarnos a la realidad.

P. ¿Se está todavía muy lejos de esa realidad?

R. El problema es que una molécula no está sola en el mundo y que, además, su comportamiento depende de otras muchas. Es cierto que pueden calcularse las propiedades de una sola de ellas e incluso de una reacción química determinada, pero la influencia de su entorno y de cómo interactúan unas con las otras es fundamental. Este problema, junto con las ecuaciones matemáticas que lo describen, no está todavía resuelto.

P. Una forma de resolverlo es fragmentar razonablemente ese entorno.

R. Sí, hay que fragmentar. De hecho, la influencia de una molécula en otra tiende a ser menor a medida que nos alejamos de una reacción, hasta el punto de que puede llegar a considerarse inexistente. El tema es dónde cortar. Con las técnicas actuales podemos hacer cajas, pero son demasiado pequeñas, del orden de 20 a 100 moléculas para cada una de ellas. Necesitaríamos meter varios miles de moléculas para conseguir una visión real. Con suerte, lo lograremos en 10 años.

P. ¿El problema es disponer de suficiente potencia de cálculo?

R. Por supuesto, pero también se necesita nuevo software, nuevos algoritmos. Si los niños continúan jugando con ordenadores cada vez más potentes, es probable que alcancemos el objetivo mucho antes. Al fin y al cabo, los ordenadores de sobremesa actuales son mucho más potentes que las computadoras científicas del pasado.

P. Volvamos a su software. ¿Qué utilidades tiene?

R. Básicamente, el programa ADF está concebido para explicar interacciones y reacciones químicas. Sus campos de aplicación son diversos. Abarca aspectos tan dispares como la petroquímica, la biomedicina, la ciencia de materiales o la nanotecnología. Todo ello a partir de la química teórica computacional, un área de la ciencia que tiene mucho que ver con la predicción que los físicos formularon en 1926 según la cual todo en química podía resolverse teóricamente sin necesidad de experimentos. Gracias a la computación, podemos hacer algo así como química virtual.

P. Parece un poco pretencioso afirmar que todo pueda resolverse sin experimentos, ¿no le parece?

R. Es sólo teoría. La realidad se encarga a menudo de demostrar lo mucho que queda por resolver y cómo la química teórica puede aportar soluciones.

P. ¿Por ejemplo?

R. El diseño de nuevos fármacos. La química computacional puede ser muy útil, especialmente para la predicción teórica de reacciones entre distintos compuestos o incluso para la definición de nuevas moléculas, muchas de las cuales no existen en realidad, pero que podrían llegar a sintetizarse conociendo sus propiedades. Es lo que podríamos llamar la química médica.

P. ¿Existe también una química biológica?

R. Por supuesto. Uno de los retos actuales es tratar de definir la células en su conjunto y ver cómo interactúan sus distintos componentes. Los modelos ahí son esenciales, entre otras razones porque no siempre es posible mirar el interior de la célula y hacer experimentos reales.

P. ¿En qué otras áreas se están haciendo aportaciones?

R. Sobre todo en petroquímica. El objetivo es conseguir nuevos materiales plásticos. La palabra clave en este campo es catálisis y lo importante es reducir al máximo la generación de residuos, algo que puede conseguirse repensando las reacciones químicas que se dan en la formación de nuevos compuestos.

P. Esto suena a química verde, ¿no cree?

R. Todos los químicos estamos interesados en generar los mejores productos y que sean lo menos contaminantes posible. Pero química verde no significa sólo generar residuo cero. Implica también reducir el consumo de energía de las reacciones para reducir el gasto energético en los procesos de producción. En cualquier caso, necesitamos plásticos. Por definición, son mejores que el acero. Entre otras razones, porque el consumo de energía para su producción es mucho menor. Recuerde que hace unos pocos años todo se hacía con otros materiales y un coste ambiental muy superior. En comparación, el plástico es mucho más limpio.

P. ¿Prevé plásticos para todo?

R. No. Cada elemento tiene sus propiedades. Sin embargo, su uso crecerá, especialmente en el Tercer Mundo, donde facilitará el acceso a materiales más baratos.

P. Decía antes que la nanotecnología también se está beneficiando de la química computacional. ¿De qué modo?

R. La tendencia es construir dispositivos cada vez más pequeños y eficientes. Gracias a la aportación teórica que efectuamos con los ordenadores, podemos predecir nuevos materiales e incluso nuevos dispositivos. Podemos calcular mucho más rápido sus propiedades ópticas, electrónicas y magnéticas, o generar moléculas virtuales de acuerdo a unas características predeterminadas. Los modelos teóricos están para entender cómo funciona ese dispositivo o cómo manejar una molécula.

P. ¿En qué tipo de modelos está más interesado?

R. En las propiedades ópticas no lineales. Se trata de una de las áreas en expansión en ciencias computacionales relacionada con el diseño de nuevos ordenadores. En esencia, pretende ver cómo enviar señales entre dos puntos de una forma mucho más rápida mediante haces de luz. Los fotones, y no los electrones, son los que se emplean para enviar señales. Curiosamente, no es un proceso químico, sino físico. El objetivo es calcular las propiedades electrónicas de un material y ver cómo responden a la luz.