A todos nos ha pasado muchas veces que se nos ha caído algún objeto de uso diario al suelo. Es muy probable que lo hayamos recogido distraídamente y hayamos vuelto a nuestras ocupaciones. En ocasiones, se rompe y tenemos que repararlo. Pero, probablemente, si el objeto no se ha estropeado, muy pocos hemos pensado cómo esa caída ha podido afectar al material.
Casi la mayoría de nosotros suele tomar algún fármaco cuando le duele la cabeza o el estómago, dando por hecho que así se sentirá mejor, pero raramente nos planteamos su mecanismo de acción: algo ocurre en nuestro cuerpo y, a veces, nos parece milagroso e inexplicable.
Estos son solo dos ejemplos de los muchos que existen que ilustran una cuestión sencilla: cada cosa que nos rodea, y nosotros incluidos, estamos formados por una serie de ladrillitos que se llaman átomos y moléculas.
Los átomos son invisibles a nuestros ojos, ya que son cerca de treinta mil veces más pequeños que los ácaros del polvo (los cuales son animales tan diminutos que no podríamos verlos sin la ayuda de un microscopio ni aunque se pasearan sobre nuestra almohada mientras dormimos). Sin embargo, sabemos que existen, y resulta que algunos científicos locos pasan sus días estudiándolos.
Estos pequeños átomos son peores que un niño en un patio de juegos: siempre están en movimiento, y nunca se cansan. Y, como los niños en el parque, están encantados de juntarse entre ellos cuando encuentran otro átomo que les gusta mucho. Así se forman las moléculas, que son un poco más grandes de los átomos, y su tamaño varía en función del número de ladrillos que se juntan. Sin embargo, no por eso son más tranquilas: ellas también están en continuo movimiento, y se pueden juntar. Hay una gran cantidad de enlaces posibles para que las moléculas se junten y, según el tipo, varios materiales pueden formarse. Desde la misma unidad básica, podemos obtener cosas muy diferentes: pensemos, por ejemplo, en el agua, el hielo y el vapor. Están todos formados de la misma molécula, la que conocemos cómo H2O, pero son muy diferentes en su apariencia, su consistencia, y las sensaciones que percibimos al contacto con ellos (podéis probar a poner una mano sobre una cazuela tapada de agua hirviendo, justo encima del pequeño hueco que deja salir el vapor, pero no os lo aconsejo si no queréis quemaros los dedos).
¿Podemos ver los átomos y las moléculas? Con nuestros ojos, no podemos ver cosas más pequeñas que un ácaro del polvo. Sin embargo, los científicos son muy obstinados, y han encontrado varias estrategias para ver átomos y moléculas y estudiarlos. Al día de hoy, hay unas técnicas que nos permiten sacar imágenes de los átomos de un material, y otras que nos dejan estudiarlos de manera indirecta.
También es posible estudiar lo que pasa a los átomos y las moléculas a nivel teórico, utilizando herramientas matemáticas. Antes hemos dicho que los ladrillos se pueden juntar, pero no hemos hablado de por qué se juntan. La razón principal es que tienen mucha energía almacenada y pueden interactuar unos con otros a través de fuerzas, que pueden ser atractivas o repulsivas. Según la distancia entre ellos y el tipo de átomo con el que se relacionan, los átomos están sujetos a fuerzas diferentes, y pueden ser atraídos o repelidos por otro átomo, y moverse para acercarse o alejarse de la otra partícula. Conociendo dichas fuerzas es posible, a través de la segunda ley de Newton (una ecuación muy importante en la física), simular el movimiento de los átomos en función del tiempo. Manejando oportunamente la ecuación de Newton, a partir de las posiciones de los átomos y las fuerzas que actuan sobre ellos a un tiempo inicial, se pueden obtener sus posiciones a tiempos siguientes, además de otros parámetros como su energía y velocidad.
Hay una técnica que aplica este principio y necesita solo de un ordenador bastante potente para funcionar. Dicha técnica se llama Dinámica Molecular. Dinámica, porque nos permite analizar el comportamiento de un sistema con el tiempo, y Molecular, porque opera sobre objectos formados por agregación de un número más o menos grande de moléculas, cómo proteínas o estructuras cristalinas. Y, ya que las moléculas son muy pequeñitas y se mueven tan rápidamente, el tiempo que necesitan por desplazarse es mucho más pequeño que el tiempo que nos hace falta para levantarnos de la mesa después de una comida muy rica y movernos al sofá. Lo que hace años parecía magia, o sea, estudiar eventos que no podemos ni imaginar porque ocurren a una escala muy pequeña, a través de la Dinámica Molecular se ha transformado en realidad. Así, podemos llegar a cuantificar acontecimientos a escala nanométrica en lo que concierne a la longitud (estamos acostumbrados a pensar, como mucho, en milímetros, que son un millón de veces más grandes que un nanómetro). A su vez, en cuanto a tiempos, podemos medir lo que pasa al nivel de los femtosegundos que, comparados al segundo, son extremamente pequeños: en un segundo hay 1015 femtosegundos, o sea, hablamos de mil billones de segundos.
Hoy en día, cada vez más empresas se ocupan de fabricar materiales de tamaño nanómetrico para aplicaciones industriales, medicas, medioambientales… así que es muy importante estudiar lo que sucede a esta escala.
Toda la materia que nos rodea está compuesta por un número muy grande de ladrillos. También lo que a nivel macroscópico nos parece un bloque único y compacto – una mesa, un martillo, nuestro nuevo e indestructible teléfono – en realidad contiene en su interior una gran cantidad de átomos cuyo número no se puede comparar con las cantidades a las que estamos acostumbrados: todos nuestros zapatos, los goles que ha metido el Madrid en los ultimos años de la Liga, también las cifras de la cuenta bancaria del hombre más rico del planeta, no llegarían a la millonésima parte de ese número. Por esta razón, si queremos obtener datos representativos a través de la Dinámica Molecular, tendremos que construir, con nuestro ordenador, una muestra bastante grande. Por supuesto, dicha muestra no puede ser del tamaño real de un objeto macroscópico, así que los cientifícos suelen construir celdas pequeñas y replicarlas periódicamente en el espacio (Fig.3). Además, si intentáramos medir las propiedades de celdas de tamaño muy pequeño, obtendríamos resultados incorrectos, porque un átomo de la celda puede interactuar con su imagen en la celda cercana; y sin embargo, celdas muy grandes llevarían a tiempos de cálculo muy largos.
Una vez construida la muestra, queda pensar en el experimento que se quiere simular, y especificar los parámetros necesarios: cuántos pequeños pasos hacer (en cada paso, medimos la posición y la velocidad de todas las partículas), el tamaño temporal del paso (o sea, cómo de grande es cada paso en unidades de tiempo, Δt en la Figura 4), y las cantidades a guardar en los resultados, que nos llevarán a una descripción física del proceso que queremos estudiar.
Las Fig. 5 y 6 muestran lo que estudiamos en nuestro grupo de investigación, o sea, la simulación del impacto de partículas con energía muy alta sobre materiales para la industria nuclear o aeroespacial. Los materiales se pueden dañar porque la elevada energía del impacto causa un desplazamiento de los átomos de su posición incial: la estructura microscópica del material cambia y sus propiedades macroscópicas pueden verse modificadas a peor: así que hace falta buscar estructuras con buena resistencia al impacto.
En conclusión, la ventaja más grande de la Dinámica Molecular es que se puede estudiar cómo evoluciona un sistema solo conociendo su estructura inicial, los átomos que lo componen y las fuerzas que actúan entre ellos; y que un número pequeño de átomos es suficiente para simular las propiedades de un material de tamaño macroscópico.
Esta técnica nos permite de contestar a preguntas como “¿Qué le pasa a esta muestra de metal cuando la estiro demasiado?”, “¿Las moléculas del aceite prefieren estar juntas o separadas de las de agua?”, o “¿Por qué esta proteína se comporta de la manera en que lo hace?” Sin embargo, no nos permite explicar todo, y hay que combinarla con curiosidad, espíritu científico y, también, un poco de imaginación. La Dinámica Molecular nos proporciona las herramientas necesarias para entender cómo funcionan los procesos a nivel sub-microscópico, y es nuestro deber conectarla a nuestra experiencia, a lo que solemos llamar “el mundo real”. Entender cómo los átomos interactúan entre ellos y por qué se comportan en una manera en vez de en otra, puede ser fascinante, y llevarnos a observar la materia que nos rodea con ojos nuevos.
