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La magia del agua: ¿Cómo simular el misterio del agua con química computacional?
El agua, como una de las sustancias más importantes de la Tierra, sus propiedades físicas y químicas únicas son esenciales para la existencia de la vida. Desde el surgimiento de la química computacional, los científicos han estado trabajando para utilizar modelos matemáticos para simular el comportamiento del agua. Estos modelos no sólo predicen las propiedades físicas del agua, sino que también proporcionan información sobre cómo reacciona el agua en diferentes entornos y su papel en los organismos vivos.
"Las propiedades del agua están estrechamente relacionadas con su estructura molecular, que puede simularse y predecirse utilizando métodos de química computacional".
Los modelos de agua en química computacional se utilizan principalmente para simular agregados de moléculas de agua, agua líquida y soluciones acuosas. Estos modelos se basan en mecánica cuántica, mecánica molecular, datos experimentales o una combinación de estos métodos. Para imitar las propiedades específicas de las moléculas de agua, los investigadores han desarrollado varios tipos de modelos, que generalmente se pueden clasificar de tres maneras: (i) el número de puntos de interacción, llamados "sitios", (ii) la rigidez o flexibilidad, y ( iii) si el modelo incluye efectos de polarización.
En la simulación del agua, un enfoque común es utilizar un modelo de solvente explícito, es decir, un modelo basado en moléculas específicas. Como alternativa a estos modelos explícitos, existen modelos de solventes implícitos, que utilizan un modelo continuo para tratar el comportamiento del agua. Un ejemplo de esta área incluye el modelo de solvente COSMO o el modelo continuo polarizable (PCM), o incluso algunos modelos de solventes mixtos.
Modelo de agua simple
El modelo rígido se considera el modelo más simple para el agua y se basa en interacciones no enlazadas. En estos modelos, las interacciones de enlaces se manejan implícitamente a través de restricciones globales. Las interacciones electrostáticas se modelan según la ley de Coulomb, mientras que las fuerzas repulsivas y de dispersión se describen utilizando potenciales de Lennard-Jones. Estos modelos potenciales, como TIP3P (Potencial Molecular Transferible de Tres Puntos) y TIP4P, se representan como:E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
Donde kC es la constante electrostática, qi y qj son las cargas parciales relativas a la carga del electrón y rij es la distancia entre los dos átomos. En muchos modelos de agua, el término Lennard-Jones se aplica sólo a las interacciones entre átomos de oxígeno. Los parámetros geométricos de varios modelos de agua, como la distancia OH y el ángulo HOH, varían según el modelo.
Modelos bidimensionales y tridimensionales
El modelo de dos sitios se basa en el conocido modelo SPC de tres sitios y es capaz de predecir las propiedades dieléctricas del agua utilizando la teoría de fluidos moleculares renormalizados por sitio. El modelo tridimensional corresponde a los tres átomos de la molécula de agua, teniendo cada sitio una carga. El modelo tridimensional es computacionalmente eficiente y se utiliza ampliamente en muchas simulaciones de dinámica molecular.“Los modelos tridimensionales comúnmente utilizados, como TIP3P, funcionan bien para calcular el rendimiento del calor específico”.
Por ejemplo, el modelo SPC/E agrega una corrección de polarización a la función de energía potencial, lo que hace que la densidad del agua resultante y la constante de difusión sean mejores que las del modelo SPC. El modelo TIP3P se utiliza ampliamente en el campo de fuerza CHARMM y se realizan ligeras modificaciones al modelo original para hacerlo más adecuado para la simulación de moléculas biológicas.
Modelos flexibles y rígidosEl modelo de agua SPC flexible es un modelo de agua tridimensional reparametrizado. A diferencia del modelo SPC rígido, el modelo flexible puede describir correctamente la densidad y la constante dieléctrica del agua en simulaciones de dinámica molecular. Este modelo está implementado en varios programas computacionales, como MDynaMix y Abalone.
Modelos de agua de orden superior
El modelo de cuatro sitios mejora la distribución de carga de las moléculas de agua añadiendo un átomo ficticio cerca del átomo de oxígeno del modelo de tres sitios. El modelo más antiguo de este tipo se remonta al modelo de Bernal-Fowler de 1933. Aunque el modelo fue históricamente importante, no reprodujo muy bien las propiedades clave del agua.
El modelo TIP4P se utiliza ampliamente en el software de química computacional y juega un papel clave en la simulación de sistemas biomoleculares, mientras que los nuevos modelos de agua, como el modelo OPC, pueden describir con mayor precisión las propiedades eléctricas del agua.
El desarrollo de los modelos de cinco y seis posiciones
Aunque el modelo de cinco bits tiene un coste computacional elevado, ha ido avanzando paulatinamente en los últimos años con la introducción del modelo TIP5P. El modelo de cinco bits reproduce mejor la geometría del dímero de agua y puede capturar con precisión los datos experimentales. El modelo de seis bits incorpora todas las características de los modelos anteriores en los datos y está diseñado específicamente para estudiar los sistemas de agua y hielo.
Costos computacionales y perspectivas futuras"En química computacional, la simulación del agua no es sólo un desafío técnico, sino también una clave para comprender el funcionamiento de la vida".
El costo computacional del modelo de agua aumenta con el número de sitios. Para las simulaciones de dinámica molecular, a medida que aumenta el número de sitios, también aumenta el número de distancias interatómicas que deben calcularse. Sin embargo, el desarrollo de estos modelos no es sólo una narrativa matemática, sino un microcosmos de cómo se comporta realmente el agua en la naturaleza. A medida que avanza la tecnología, ¿seremos capaces de encontrar modelos que revelen más misterios del agua en el futuro cercano?
