Intereses de Investigación

Dinámica con Campos de Fuerza Clásicos y Polarizables

Separación de las Escalas de Tiempo entre las Contribuciones Energéticas en el Potencial de Fragmento Efectivo

El potencial de fragmento efectivo (EFP) es una aproximación sistemática para describir interacciones intermoleculares en un modo eficiente y riguroso. EFP es un potencial basado en mecánica cuántica que puede ser visto como un campo de fuerza polarizable no empírico. En este trabajo, se analiza la evolución temporal de las energías electrostática, de polarización, dispersiva y de repulsión de intercambio en pequeños agregados de agua, simulados en el colectivo microcanónico. Con base en estos resultados, se explora un enfoque para acelerar las simulaciones de dinámica molecular EFP mediante la explotación de la inherente separación de escalas de tiempo entre cada una de estas contribuciones de energía.

Deteminando el Punto de Fusión del Hielo con el Potencial de Fragmento Efectivo

Capturar de la complejidad del agua a escala molecular siempre ha sido un reto, una tarea que ha necesitado de la descripción clásica y cuántica de las interacciones intermoleculares. En las ciencias físicas y de los seres vivos, el agua juega un papel esencial en la estabilización de biomoléculas y en reacciones químicas ácido-base. Además, los descrpción detallada de los mecanismos básicos de formación del hielo son cruciales en la comprensión de problemas ambientales y fenómenos atmosféricos. Sin embargo, muchos modelos clásicos del agua no son adecuados para el estudio de sistemas de baja temperatura porque desprecian efectos no aditivos de interacciones de más de dos cuerpos, y los métodos cuánticos se limitan a sistemas moleculares de pequeñas dimensiones. Se requieren métodos teóricos que pueden explicar con precisión los diversos tipos de interacciones intermoleculares existentes en el agua. En este proyecto, el equilibrio termodinámico entre el agua y el hielo se exploró usando dinámica molecular EFP. El punto de fusión del hielo EFP fue calulado con base en el análisis de la evolución de la energía total a lo largo de simulaciones en el colectivo isotérmico-isobárico a diferentes temperaturas.

Dinámica Molecular Atomística de Nanohidrogeles

Los hidrogeles son materiales capaces de absorber agua dentro de redes de polímeros hidrofílicos entrelazados. Han sido ampliamente investigados por su uso en ciencia de materiales, nanotecnología y productos farmacéuticos recientes. Sin embargo, no se conocen bien los detalles de un mecanismo que explique sus características como absorbentes de agua. Usando dinámica molecular atomística, se estudió la transformación estructural debida a la absorción de agua en nanohidrogeles de quitosano. Se simularon dos conjuntos de modelos, de escala nanométrica, de una cadena de quitosano: uno para estudiar la dependencia del hinchamiento con respecto al grado de entrecruzamiento, y otro para observar la respuesta en relación con el grado de protonación. Se verificó que los nanohidrogeles mantienen su capacidad de absorber agua e hincharse, independientemente de su grado de entrecruzamiento. Notablemente, se encontró que el comportamiento del hinchamiento del quitosano a escala nanométrica es dependiente del pH, y que es mucho más limitado que la de hidrogeles de mayor escala. Por lo tanto, este estudio sugiere que las propiedades de los nanohidrogeles son significativamente diferentes de las de los hidrogeles de mayor escala. Estos hallazgos se han publicado recientemente en el Journal of Physical Chemistry B.

Diseño Mecánistico de Polímeros con Aplicaciones en Farmacéutios

La biodisponibilidad de un alto porcentaje de nuevos candidatos a fármacos está limitada por su baja solubilidad. El uso de la forma amorfa del fármaco es una buena estrategia para mejorar su solubilidad. Sin embargo, el estado amorfo es inestable, y el fármaco cristaliza con el paso del tiempo, perdiendo su ventaja de solubilidad. Polímeros son utilizados para estabilizar formulaciones amorfas, y para mantener altas sobresaturaciones después de la disolución de la formulación. Mientras que los estudios experimentales con polímeros comerciales muestran diferencias en la efectividad de cada polímero, el mecanismo molecular de la estabilización todavía no está claro, por lo que el diseño racional de nuevos polímeros es desafiante. Esta colaboración con Laura I. Mosquera-Giraldo y la Prof. Taylor, explora cómo sustituyentes químicamente diversos impactan la efectividad de nuevos polímeros de celulosa como inhibidores de la cristalización. Dinámica molecular y cálculos químicos cuánticos se utilizaron para investigar cómo la diversidad química modifica la conformación del polímero y la dinámica. Estos resultados ayudan a explicar por qué dos polímeros con grupos químicos similares pueden mostrar efectividad diferente debido a fuertes interacciones intramoleculares no covalentes. Estos hallazgos se han publicado recientemente en la revista Biomacromolecules.

Comparación de las Propiedades de Inhibición de la Cristalización de Sales Biliares

Las sales biliares son surfactantes naturales presentes en el tracto gastrointestinal humano. Por lo tanto, es esencial tener en cuenta su efecto sobre la disolución y cristalización de formulaciones orales de fármacos. Aunque recientemente se ha demostrado que el taurocolato de sodio, una sal biliar común, puede retrasar la nucleación de ciertos compuestos, la información acerca de las propiedades de inhibición de la cristalización de otras sales biliares es limitada. En este proyecto, se utilizaron simulaciones de dinámica molecular para asistir la evaluación de la capacidad de varias sales biliares para mantener soluciones acuosas sobresaturadas de tres compuestos farmacológicos: celecoxib, nevirapina y flibanserina. Experimentalmente, la mayoría de las sales biliares retrasó la nucleación. Sin embargo, sus efectos inhibidores varían dependiendo de la estructura y concentración de la sal biliar y el fármaco. Simulaciones de dinámica molecular indicaron que interacciones de van der Waals y de enlace de hidrógeno se producen entre fármacos y sales biliares y que varían entre diferentes sistemas. Estos resultados son importantes para entender mejor la tendencia a cristalizar de compuestos poco solubles en agua administrados por vía oral in vivo. Estos hallazgos han sido reportados recientemente en la revista Crystal Growth & Design.

Teoría del Funcional de la Densidad

Dispersión

Las fuerzas de van der Waals son esenciales para determinar la estructura y propiedades de biomoléculas y materiales. Desempeñan un papel fundamental en campos tan diversos como la química supramolecular, la biología estructural, la ciencia de polímeros, la nanotecnología, la ciencia de superficies, y la física de la materia condensada; además de proporcionar explicaciones para fenómenos químicos, físicos y biológicos tales como: cómo se apilan las bases en el ADN, qué da estructura al grafito, o por qué las lagartijas pueden adhierense al vidrio. En este proyecto dirigido por el Dr. Correa y el Dr. Andrade, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, se presentó la derivación de las ecuaciones del método Tkatchenko-Scheffler para interacciones de van der Waals y se propuso una implmentación portátil en C. En particular, se derivaron las expresiones para la fuerza y para el potencial intercambio y correlación. Una interfaz para el código de la biblioteca portátil fue diseñada para permitir la implementación modular en códigos con diferentes representaciones de conjuntos de base. Una implementación piloto en el código Octopus se probó, validado sus resultados con otros códigos, para consistencia interna. Se comprobaron los resultados para propiedades tanto en el estado fundamental y cómo en estados excitados.

Transferencia de Carga

La mayoría de las aproximaciones al funcional de intercambio y correlación de la Teoría del Funcional Densidad de Kohn-Sham conducen a errores de deslocalización que perjudican la descripción de fenómenos de transferencia de carga. Una exploración de cómo diversos funcionales aproximados y esquemas de distribución de carga describen las distribuciones de carga atómica en el estado fundamental se llevó a cabo en el complejo del litio-benceno, un sistema modelo relevante para supercondensadores basados en carbono. Para entender las tendencias, comparaciones con cálculos de Hartree-Fock (HF) y post-HF correlacionados se llevaron a cabo, confirmando que la brecha HOMO-LUMO es muy estrecha en funcionales semilocales, y muy ancha en funcionales híbridos con grandes fracciones de intercambio de HF. En este proyecto se analizó y explicó por qué sucede esto, discutiendo las implicaciones, y concluyendo que los funcionales híbridos con una mezcla de aproximadamente un cuarto de intercambio de HF, tales como PBE0 o B3LYP, son particularmente útiles para describir la transferencia de carga en el modelo del litio-benceno. Estos hallazgos se han publicado recientemente en el Journal of Physical Chemistry A.

Desarrollo de Funcionales de la Densidad

En esta colaboración con el Dr. Mosquera, el Prof. Ratner, y el Prof. Schatz de Northwestern Univeristy, se examina la teoría generalizada de Kohn-Sham (GKS) para funcionales híbridos, una extensión de la teoría de Kohn-Sham para estados electrónicos fundamentales que conduce a una variedad de funcionales de la densidad alternativos, íntimamente relacionados con la aproximación local de la densidad (LDA). Se analiza por qué la inclusión de intercambio de Hartree-Fock (HF), y su forma corregida a largo alcance, dominan sobre las correcciones generalizadas del gradiente en la mejora de la calidad de la brecha fundamental y de las estimaciones de energías de excitación. Como una ilustración de la amplia gama de posibilidades creadas por este trabajo, se presenta a CAM-LDA0: un funcional de tres parámetros, con un cuarto de interacción de HF global y un medio para largo alcance; un factor de separación de rango de un tercio; y el intercambio y correlación de LDA puro. CAM-LDA0 funciona para excitaciones electrónicas tan bien como el funcional CAM-B3LYP, con la ventaja de una reducción del costo computacional debido a la omisión de las engorrosas correcciones generalizadas de gradiente. Estos hallazgos se han publicado recientemente en el Journal of Physical Chemistry A.

Dinámica y Estructura Electrónica

Fotoquímica en la Atmósfera

Los nitratos de carbonilo se producen a partir de la oxidación de isopreno iniciada por el NO3, constituyéndolos en un depósito de NOx potencialmente importante. En esta colaboración con el grupo del Prof. Shepson en la Univerisidad Purdue, el proceso de degradación fotoquímica de los nitratos de carbonilo de isopreno se investiga para entender mejor su destino. En un proyecto, se calcularon y correlacionaron los espectros de absorción ultravioleta teóricos, en fase gaseosa, del nitrato de carbonilo de isopreno, metacroleína, y nitrato de n-butilo, utilizando la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT). Estos hallazgos fueron reportados en Atmospheric Chemistry and Physics Discussions. En un segundo proyecto, los posibles caminos de reacción del nitrato de isobutilo en agua se analizaron utilizando DFT. Algunos de estos hallazgos han sido reportados recientemente en Atmospheric Chemistry and Physics Discussions.

Nanosensores y Narices Químicas

Los nanotubos de carbono (CNT) constituyen excelentes candidatos para el desarrollo de nuevas generaciones de sensores a nanoescala, gracias a sus atractivas propiedades electrónicas, mecánicas y químicas. En particular, se ha demostrado que la funcionalización de nanotubos de carbono con diferentes grupos les confiere selectividad para sustancias específicas. En esta contribución, se presentó un estudio computacional de las propiedades electrónicas de nanotubos de carbono semiconductores de pared simple (SWCNT), funcionalizados no covalentemente con hebras de homopolinucleótidos, para analizar su respuesta frente a la exposición a mezclas de gases prototípicas, con el fin de evaluar su potencial utilidad como transductores en la construcción de nanosensores y narices químicas. La respuesta electrónica de los transductores se caracterizó mediante la evaluación de la distribución de carga atómica y la diferencia de potencial electrostático entre los terminales del nanotubo. Se observó una transferencia parcial de electrones desde el nanotubo hacia moléculas de oxígeno cuando estos transductores modelo fueron expuestos a mezclas gases atmosféricos.