Visión general

La Dimámica Molecular de las Reacciones Químicas o Dinámica Química requiere estudiar las colisiones entre los átomos y las moléculas involucradas en la reacción. Para ello, desde el punto de vista teórico riguroso, se formula la ecuación de Schrödinger del sistema, que describe el movimiento y las interacciones de los núcleos y electrones presentes en el sistema. Esta ecuación es de tal complejidad que resulta irresoluble. Para simplificarla se introduce la aproximación de Born-Oppenheimer, que permite tratar separadamente el movimiento de los electrones y el movimiento de los núcleos. Con esta aproximación, el efecto del movimiento electrónico sobre el sistema se tiene en cuenta mediante una función de potencial que depende de las coordenadas de los núcleos: la superficie de energía potencial. El cálculo de la reactividad se realiza resolviendo la ecuación de Schrödinger para el movimiento de los núcleos obteniendo la función de onda correspondiente y, a partir de ella, determinando las probabilidades de reacción y subsiguientemente las secciones eficaces reactivas.

La primera etapa de la investigación es, pues, la elaboración de una superficie de energía potencial que describa adecuadamente las interacciones entre los átomos del sistema en función de sus posiciones relativas a lo largo de la reacción. El procedimiento consta de dos fases. En la primera se determinan los valores de la energía potencial para distintas configuraciones geométricas de los núcleos resolviendo la ecuación de Schrödinger electrónica con métodos ab initio. En la segunda fase se determina una función analítica que interpola y extrapola los valores previamente obtenidos, permitiendo así cubrir todas las posibles posiciones de los núcleos durante la reacción.

La segunda etapa de la investigación consiste en resolver la ecuación de Schrödinger para el movimiento de los núcleos durante la colisión y, en definitiva, calcular las propiedades reactivas del sistema. Dos son las dificultades esenciales que presenta la resolución esta ecuación de Schrödinger. La primera deriva de la complejidad del proceso de reordenación de los átomos, pues las coordenadas a usar deben describir adecuadamente la función de onda durante toda la colisión, es decir, tanto los reactivos como los productos y la zona de fuerte interacción. La segunda dificultad deriva del enorme número de estados vibro-rotacionales de reactivos y productos que pueden estar involucrados en la reacción.

Existen dos enfoques diferentes para resolver la ecuación de Schrödinger del movimiento de los núcleos y dan lugar a dos grupos de métodos: los métodos dependientes del tiempo y los métodos independientes del tiempo. En los métodos dependientes del tiempo se propaga la función de onda que describe el intervalo de energías y las condiciones deseadas de los reactivos a lo largo del tiempo hasta alcanzar la zona de los productos. En los métodos independientes del tiempo se elimina la dependencia temporal resolviendo la ecuación estacionaria de Schrödinger, para lo cual se desarrolla la función de onda en la base de funciones correspondiente a las funciones propias del hamiltoniano de energía potencial.

El tratamiento mecano-cuántico riguroso sólo ha sido aplicado, hasta la fecha, a un número muy limitado de reacciones elmentales. Por ello, el estudio de la dinámica de reacciones elementales se suele llevar a cabo utilizado las leyes de la Mecánica Clásica para describir el movimiento de los núcleos. Las ecuaciones diferenciales resultantes son fáciles de resolver y al integrarlas a lo largo del tiempo de la colisión se puede obtener la posición y la velocidad de los núcleos en cada instante, es decir, la trayectoria de las partículas que intervienen en la reacción. Calculando un número representativo de trayectorias con condiciones iniciales muestreadas adecuadamente se puede obtener información sobre la dinámica de la reacción. Además, el método de trayectorias cuasiclásicas (con una cuantización de los estados ligados de reactivos y productos) es de fácil implementación computacional y puede ser aplicado a sistemas reactivos con un número elevado de átomos.

Un aspecto importante en la investigación teórica de la dinámica de las reacciones químicas elementales se refiere a la parte computacional debido a que tanto el método de trayectorias como los métodos cuánticos exactos requieren efectuar cálculos largos y complejos, lo cual se traduce en una gran demanda de tiempo de cálculo, de memoria y de disco, es decir, es preciso realizar computación de altas prestaciones. La necesidad de una gran capacidad de cálculo llega a ser tan importante que la disponibilidad de ordenadores de gran potencia puede convertirse en un factor determinante para que una investigación concreta pueda o no llevarse a cabo y, por supuesto, condiciona el tiempo de obtención de los resultados. La tecnología informática va proporcionando, incluso de forma vertiginosa, máquinas cada vez más potentes. Esta evolución tecnológica ha experimentado en los últimos años un importante salto cualitativo. En efecto, hasta hace poco tiempo todos los ordenadores disponían de arquitecturas secuenciales, en las que un único procesador ejecutaba todo el programa de cálculo. El salto cualitativo en la tecnología informática se ha producido con la aparición de ordenadores con arquitecturas paralelas, es decir, ordenadores con varios procesadores. En los ordenadores paralelos, todos los procesadores pueden trabajar simultáneamente sobre un mismo programa o bien puede ejecutar un mismo programa con un múltiples datos, de tal manera que la velocidad de cálculo no depende tanto de la velocidad del procesador sino del número de procesadores disponibles. Otro enfoque para abordar grandes volúmenes de cálculo es la computación en red (computación GRID). Un sistema GRID integra recursos computacionales de diferentes grupos de investigación, es decir, ordenadores heterogéneos y geográficamente distribuidos, de tal manera que hace disponibles miles de procesadores. En nuestro grupo de investigación se realiza la computación de altas prestaciones tanto en ordenadores paralelos (como los de la Red Española de Supercomputación, liderado por el superordenador Marenostrum del Barcelona Supercomputing Centre) como con el sistema GRID europeo EGEE (a través de la organización COMPCHEM).