Picoteo químico-cuántico

Pues sí, hoy me estreno en el blog de Xabi, o Jota, como prefirais. Con este “señor” comparto despacho, clases, y a veces algo de investigación en nuestro grupo, al que pertenecemos los dos: el grupo de Química Teórica de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), dentro del departamento de Ciencia y Tecnología de Polímeros. Razones históricas/afectivas/burocráticas nos unen a dicho departamento, aunque penséis que la cuántica no tenga nada que ver con los polímeros. Como grupo, también estamos “asociados” al Donostia International Physics Center (DIPC para los amigos), donde compartimos con nuestros amigos los físicos nuestra aplicación y desarrollo de la cuántica. Pero claro, a mí no me da para hablar de tooodo lo que se hace tanto en el departamento como en el DIPC, ni de espacio ni de sesera, que uno no llega a todo. Así que me voy a quedar en lo más cercano para mí, que ya es bastante. Hoy nos vamos de ronda por los diversos proyectos de investigación en los que estamos sumergidos en nuestro grupo. Cataremos un poco de cada, no vaya a ser que os empachéis. Más adelante, iremos explicando más en detalle los diversos campos de nuestra investigación.

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Pero primero de todo, quienes somos los que trabajamos actualmente en el grupo? (podeis vernos en la imagen de la izquierda, trabajando duro, junto a algunos de nuestros colaboradores) A Xabi ya lo conocéis, puesto que es el autor de este blog. A mí algunos también, puesto que llevo un blog “hermano“ de este, en euskera (Como aprender Química Cuántica sin asustarse). Además de esto, Xabi me ha hecho mención en varias de sus entradas haciendo gala de su peloteo. Espero no defraudar después de todo lo dicho por él. Como veis, empiezo la presentación del grupo con los burros (el burro por delante). Ahora, la gente seria. Todo esto empezó hace ya unos 30 años, de la mano del catedrático de química física Jesus M. Ugalde Uribe-Etxebarria. Gracias a él estamos hoy aquí. Como el pelota es Xabi, no voy a decir mucho de él, pero es que no hay palabras para describirlo. Hoy en día, aparte de nosotros tres, contamos con tres profesores de investigación Ikerbasque internacionales: el alemán Andreas Heidenreich, el polaco Slawomir Grabowski, y el cubano Mario Piris. Son miembros del grupo tres post-docs, Fernando Ruipérez, Jon Iñaki Mujika e Ivan Infante, así como tres estudiantes de doctorado, Elisa Jimenez, Jon Mikel Azpiroz y Jon Uranga (podéis salsear nuestros perfiles profesionales aquí). En el pasado, por el grupo han desfilado unas 20-30 personas más, entre doctorandos, postdocs, profesores visitantes etc. Podéis visitar la página web de nuestro grupo si quereis saber un poco más sobre nuestras actividades, como publicaciones, conferencias, etc, (más información aquí). Yo hoy, como he mencionado arriba, y después de las presentaciones, os invito a que me acompañeis en nuestro picoteo particular por nuestros proyectos de investigación.

Vayamos al grano pues, que me enrollo. Nuestra labor investigadora se desarrolla actualmente básicamente en seis áreas principales: (Bio)Nanotecnología, biofísica, desarrollo de métodos cuánticos, interacciones no covalentes, explosiones de Coulomb, y química de los metales de transición. Así vistos, parecen puntos inconexos. Nada más lejos de la realidad. Vamos allá.

bionano

Empezaré por contar lo que investigamos en el campo de la (bio)nanotecnología. Estamos centrados en materiales semiconductores de tamaño nanométrico, concretamente, de ZnS, CdS y CdSe. En el material sólido (macroscópico) estos materiales son semiconductores, esto es, son conductores de la electricidad después de superar una barrera de energía. Esta barrera puede superarse debido a la absorción de fotones de energía adecuada. En la escala nano, estas propiedades difieren de las propiedades de los sistemas de escala macro, debido al confinamiento cuántico. En nuestro grupo estudiamos diferentes nanopartículas de estos materiales, asi como sus propiedades ópticas (el tipo de fotón que podrían absorver). Aparte de esto, estudiamos también las posibles formas en las que estos compuestos pueden agregarse en su ensamblado, prediciendo su estabilidad, y sus propiedades ópticas y electrónicas. Una de las posibles aplicaciones de estas nanóparticulas se encuentra en la medicina. Debido a sus propiedades ópticas, pueden utilizarse en la detección del cáncer. Para ello, estas nanopartículas han de ser biofuncionalizadas, esto es, deben ser rodeadas por moléculas biocompatibles (ligandos) que puedan adherirse a la membrana celular de las células cancerosas. Básicamente, estudiamos cómo se dan algunos de estos procesos, así como su posible mejora utilizando diferentes ligandos (ver más).

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Una vez introducidos en el mundo bio-, nos desprendemos del nano-. En este campo, estudiamos la toxicidad del aluminio en entorno biológico (ver en esta otra entrada del blog en detalle) , así como los procesos de oxidación de proteínas a causa del ataque incontrolado de radicales libres. Hay estudios no concluyentes en los que estos procesos están ligados a enfermedades neurodegenerativas como el Alhzeimer y Parkinson, pero no está claro cuales son los mecanismos de estos procesos. Estudiamos varios aspectos de estos procesos en los cuales tanto el aluminio como los radicales libres pueden jugar su papel. Hay que remarcar que estos procesos son muy complicados, y nosotros estudiamos sólamente algunos aspectos. Vamos, que no vamos a solucionar el mundo solitos (ver más).

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En biología y bioquíma las interacciones débiles entre moléculas juegan un papel fundamental. Entre ellas, tal vez las más conocidas son los enlaces de hidrógeno. Estos enlaces son los responsables de mantener el agua en estado líquido a temperatura ambiente, y teniendo en cuenta que nuestro cuerpo y nuestras células son mayoritariamente agua, estas interacciones juegan un papel fundamental en la estructura de las proteínas, ADN etc. Además de estudiar los enlaces de hidrógeno desde un punto de vista cuántico, hay otros tipos de enlaces débiles (como los enlaces de halógenos, etc). Debido al papel que juegan estas interacciones débiles tanto en entorno biológico como en otras ramas de la química, también estudiamos sus características (ver más).

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La química de los metales de transición también es fundamental en entorno biológico. Toman parte en procesos redox, y son fundamentales en otros fenómenos también. Uno de estos aspectos, por comentar, es el relacionado con el transporte de oxígeno en nuestra sangre, donde la proteína responsible (hemoglobina) contiene hierro. Aparte de la bioquímica, los metales de transición juegan un papel importante como catalizadores o en la nanotecnología, debido a sus propiedades magnéticas. En nuestro grupo tocamos un poco de todo esto, intentando entender la química de los metales de transición en proteínas, nanopartículas y como catalizadores (ver más aquí y aquí).

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Para poder estudiar todo lo descrito en los párrafos anteriores, en el campo de la química cuántica se han desarrollado una gran variedad de métodos. Aunque las ecuaciones a solucionar son bien conocidas, no pueden solucionarse de manera exacta para los problemas descritos anteriormente. Debido a ello, en los más o menos 80 años de vida de la química cuántica, se han desarrollado un sin fin de métodos aproximados. Debido al desarrollo del poder supercomputacional, la sofisticación de estos métodos está en aumento. En el grupo también trabajamos en el desarrollo de nuevos métodos cuánticos, concretamente, en el campo de la Teoría del Funcional de Orbitales Naturales (ver más).

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Siguiendo con el desarrollo de nuevas metodologías, también estamos involucrados en el desarrollo de nuevas aproximaciones para estudiar otro fenómeno físico, las explosiones de Coulomb. Este fenómeno ocurre al ionizar rápidamente y de manera drástica agregados de gases nobles, como el Xe. Así, cada átomo es ionizado a cargas superiores a +30 muy rápidamente, y debido a la repulsión entre estas cargas, el agregado explota. La velocidad a la que los iones son expulsados es muy grande. Experimentalmente estos procesos son muy difíciles de estudiar, por lo que las simulaciones teóricas juegan un papel muy importante. Las posibles aplicaciones de este fenómeno pueden llegar incluso a la fusión fría, pero todo esto está aún en pañales (ver más).

Para finalizar, me gustaría remarcar la importancia que tienen las colaboraciones. Así, colaboramos con un gran número de colaboradores tanto nacionales como internacionales (podéis verlos aquí). Tambíen, me gustaría resaltar que todo este trabajo se realiza por medio de superordenadores. No puedo dejar de mencionar el superordenador con el que contamos en la Universidad, de nombre Arina (rápido, ágil, en euskera). Este superordenador está gestionado por el Servicio General de Informática Aplicada a la Investigación (ver link). La realización de este trabajo no sería posible sin el apoyo de este servicio y de sus técnicos (Txema Mercero y Edu Ogando).

Una cosa más… vais a pensar qué pelma es este tío. En la entrada de hoy hemos visto una pequeña pincelada de los campos en los que investigamos. Como véis, tocamos muchos temas, de los cuales seguramente no sabemos tanto como los especializados. Vaya por delante mi solicitud de perdón si he metido la pata en algún tema. Al final, este es el mayor problema de los químicos cuánticos. Si nos ceñimos sólamente a la metodología no hay problema, controlamos. Pero luego, las aplicaciones son en tantos campos, que no podemos controlarlos todos como quisiéramos. Es por ello que muchas veces tenemos la sensación (por lo menos yo) de que sabemos poco de mucho, pero mucho no sabemos de nada.

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