teoría del funcional de la densidad

El pastel de capas de disulfuro de molibdeno MoS2 descansa sobre la mesa del laboratorio. Se prepara de la manera habitual: una cinta adhesiva arranca las capas superiores para obtener una muestra delgada. Pero bajo la cinta queda una cavidad invisible, donde los pisos atómicos ya no están apretados entre sí.

Un rayo láser impacta en un blanco delgado escondido entre capas de otro material. En milmillonésimas de segundo, la materia se comprime hasta una densidad de 25 gramos por centímetro cúbico, como si un trozo de plomo se volviera más de dos veces más pesado sin moverse de su sitio.

El haz de una linterna atraviesa la niebla. Cuanto más densa es la niebla, más se dispersa la luz y más tarde llega al ojo. Un principio similar opera con las ráfagas rápidas de radio: misteriosos pulsos ultrapotentes provenientes de galaxias lejanas.

Un diapasón golpeado suena limpio y durante mucho tiempo. Pero si mientras suena agitas ligeramente el propio diapasón, el sonido empezará a temblar y se apagará rápidamente. Algo parecido ocurre con los electrones en cualquier trozo de materia. Los átomos en la red nunca están quietos: las vibraciones térmicas los hacen temblar continuamente.

La molécula funciona como un mercado: los electrones-compradores entran por dos entradas (contactos) y se dirigen a los puestos con los productos más atractivos, las zonas químicamente activas. Antes se pensaba que la corriente se distribuía uniformemente, pero resultó que hasta el 90% del flujo pasa por estos "puntos calientes".

DFTB es un tren de alta velocidad en el mundo de la química cuántica: cientos de veces más rápido que el DFT clásico, pero aún sobre rieles electrónicos. Sin embargo, su motor — la autoconsistencia iterativa de cargas — a veces se asemeja a una orquesta donde cada instrumento comienza con una nota arbitraria.

Muchas transformaciones químicas se asemejan al ensamblaje de muebles en la oscuridad total: se ven las piezas iniciales y el armario terminado, pero el ensamblaje en sí sigue siendo un misterio. Los estados intermedios, como las posiciones fallidas de las manos del artesano, desaparecen demasiado rápido para distinguirlos.

Una piscina enorme llena de agua. En una esquina ocurre una reacción química que necesita calcularse con precisión de joyero. Pero el agua alrededor no es solo decoración: sus moléculas se empujan, se atraen e influyen en la reacción. ¿Cómo tener en cuenta este baile interminable de partículas sin ahogarse en cálculos?

Dentro de cada célula hierve la vida: diminutas máquinas proteicas transportan cargas sin descanso, leen genes y corrigen errores. Pero su trabajo dista de ser perfecto: a menudo patinan, dan pasos hacia atrás o se quedan atrapadas en ciclos inútiles. Es como un atasco urbano, donde los coches corretean sin rumbo quemando gasolina.

El núcleo atómico no es una bola de billar, sino más bien una nube brumosa que cambia constantemente de contorno. Los protones y neutrones en su interior están en continuo movimiento, y el núcleo puede adoptar las formas más diversas: alargado, achatado o con forma de pera.

Un cocinero prepara un pastel siguiendo la receta, pero en lugar de una masa esponjosa obtiene una corteza dura. Empieza a repasar las causas: quizá la harina se humedeció, o el horno calienta de manera desigual, o los huevos estaban demasiado fríos.

Un batido de frutas se prueba con dos pajitas diferentes. Una deja pasar solo los trozos grandes, la otra solo el líquido. Por separado, las sensaciones engañan, pero juntas dan la clave: aquí parece plátano, y aquí, fresa.

El espectro de una sustancia es su huella dactilar. Normalmente, para obtenerlo, se coloca la muestra en un campo magnético intenso, como en un tomógrafo. Pero hay una manera de prescindir por completo del imán: registrar la señal de los núcleos atómicos a campo cero.

Una ciudad donde las calles no son rectas, sino sinuosas, con callejones sin salida y pasadizos ocultos. Un mensajero en bicicleta tardará mucho más en entregar un paquete que en una ciudad con una cuadrícula regular de calles. Así ocurre con las moléculas dentro del tejido vivo: su recorrido depende de lo 'enmarañada' que esté la estructura del tejido.

Dentro de un trozo de metal, los electrones no se quedan quietos, sino que se mueven como el agua de un río. Pero no se puede ver ese movimiento directamente: es demasiado rápido y diminuto. Los científicos idearon un camino indirecto: toman "instantáneas congeladas" del líquido electrónico a diferentes temperaturas y, a partir de ellas, reconstruyen cómo se movían exactamente los electrones.

Hasta ahora, la energía oscura se ha estudiado como el motor de un coche: solo por la velocidad alcanzada de la expansión del universo.

Un cristal que por dentro parece una esponja con un laberinto de poros resultó capaz de realizar cálculos. El material, llamado DUT-8, está formado por nodos metálicos y conectores orgánicos que crean una red calada. Bajo la acción de diferentes gases, esta red cambia ligeramente de forma, como un castillo de naipes que se reacomoda con un leve soplo.

Un rayo láser incide sobre la piel y los tejidos responden con un eco ultrasónico apenas audible. Gracias a ese eco, los médicos pueden ver vasos sanguíneos y tumores sin hacer incisiones. Pero antes de que la imagen aparezca en la pantalla, hay que limpiar la señal del ruido, como un cocinero que retira la espuma del caldo para que quede transparente.

En la superficie de una esfera diminuta, los electrones se organizan en patrones que recuerdan a las ondas en el agua. Los físicos llevan tiempo observando que esta imagen tan sencilla describe con una precisión sorprendente el comportamiento de los sistemas cuánticos. Pero por qué funciona seguía siendo un misterio.

Cada pocos años, la corriente cálida frente a las costas de Perú se desplaza y los pescadores se quedan sin captura. Es El Niño, el aliento del Pacífico tropical, que afecta el clima desde Indonesia hasta California. Predecir su aparición es tan difícil como adivinar hacia dónde rodará una piedra lanzada a un río caudaloso.

Los físicos construyeron una cadena de átomos de Rydberg: átomos con electrones en órbitas enormes, del tamaño de trayectorias planetarias. Estos átomos gigantes sienten fuertemente a sus vecinos, convirtiendo la cadena en un análogo cuántico de una cuerda.

En cada puñado de tierra fértil viven bacterias que hacen algo que ninguna fábrica puede: toman nitrógeno directamente del aire y lo convierten en fertilizante. El secreto está en la enzima nitrogenasa, y su centro activo, un cúmulo de átomos de hierro y molibdeno, se asemeja a una diminuta planta de producción.

Hay que probar millones de llaves para encontrar la que abre la cerradura de la enfermedad. Cada llave es una molécula, y la cerradura, una proteína de nuestro cuerpo. Probar cada llave manualmente es imposible, por eso los químicos usan modelos informáticos que predicen cómo se comportará una molécula en la realidad.