aceleración de dinámica molecular

En un edificio de nueve pisos, con mil habitaciones por planta, algunos susurran y otros gritan. Los vecinos transmiten las palabras, pero si todos hablan demasiado bajo, el mensaje se desvanece ya en el tercer piso. Si hablan demasiado alto, para cuando llega al último piso se ha convertido en un rugido ininteligible. Entre esos extremos hay un régimen en el que el susurro llega hasta el final sin distorsión.

Una pelota de tenis golpea un castillo de arena. El castillo se desmorona, pero por dónde y hasta dónde vuelan los granos de arena se puede deducir qué forma tenía el castillo. Así funciona aproximadamente el método de hacer explotar proteínas con rayos X.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa en remolinos caprichosos. De igual manera, una partícula cuántica, al intercambiar energía con su entorno, cambia su estado de una manera compleja y enredada. Describir esta danza entre partícula y entorno es una tarea que durante mucho tiempo dejó perplejos a los científicos.

Un libro de cocina sin lista de ingredientes: eso es lo que enfrenta un científico al ver un esquema de reacciones químicas. Las flechas y fórmulas en el papel se ven ordenadas, pero en cuanto empiezas a buscar en el laboratorio moléculas que se comporten exactamente así, comienza una verdadera aventura.

Una nube de átomos enfriada casi hasta el cero absoluto de repente empieza a comportarse como un cerebro. Un átomo excitado dispara una reacción en cadena: los vecinos se "encienden" a continuación y una avalancha de actividad recorre el gas. Los físicos lo llaman facilitación de Rydberg: los átomos se excitan más fácilmente si cerca ya hay uno excitado.

Los sistemas energéticos con paneles solares y aerogeneradores se asemejan a una partida de ajedrez: la nubosidad y los cambios de carga son movimientos del oponente imposibles de prever. Para mantener el equilibrio, los operadores antes repasaban decenas de escenarios (incertidumbre), lo que requería demasiado tiempo y cálculo.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

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.

Una proteína en la célula no es una escultura congelada. Se mueve constantemente: se dobla, respira, tiembla. Este movimiento, llamado dinámica, determina cómo funciona la proteína. Pero observar directamente esa danza es difícil, y la simulación por computadora a menudo requiere enormes recursos computacionales.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

La geofísica siempre ha buscado un lenguaje para comunicarse con el subsuelo. La perforación de pozos es un alfabeto rudo, las pruebas de laboratorio en núcleos, una lenta decodificación. El nuevo enfoque convierte la porosidad resonante en una nota pura.

La célula se parece a una biblioteca donde cada día se copian miles de libros. Las máquinas moleculares —polimerasas y ribosomas— se deslizan a lo largo de la cadena plantilla y ensamblan una copia, eslabón por eslabón. Estas máquinas tienen varios estados: pueden frenarse, equivocarse o cambiar de modo.

Dentro de cada célula hay una construcción continua: las moléculas se agrupan y se separan constantemente. A veces forman gotas densas, como aceite en agua, pero sin membrana. Estas gotas funcionan como almacenes temporales: aquí se guardan proteínas, copias de genes o herramientas para reparar el ADN.

En el corazón ardiente de una estrella moribunda nace un flujo invisible: el gas de neutrinos. Las partículas se precipitan a través de la materia casi sin detenerse, pero cuando su densidad es enorme, comienzan a sentirse entre sí. Los cálculos antiguos describían esto como un empujón en una multitud: cada empujón cambia la dirección, pero no surge conexión entre los transeúntes.

Una orquesta toca sin director y se oye que el tempo se acelera y se ralentiza. Solo se tiene la grabación del sonido, no la partitura. ¿Se puede deducir de esa grabación qué cuerda hay que tocar para que toda la orquesta suene más uniforme? Algo parecido se preguntan los científicos que estudian los sistemas complejos: el clima, la turbulencia, los ritmos biológicos.

Un fontanero desatasca una obstrucción en una tubería estrecha y retorcida, a tientas, sin ver el interior. Así se siente más o menos un cirujano durante una trombectomía mecánica (la operación para extraer un coágulo de sangre de un vaso cerebral). El tiempo apremia y cada movimiento puede salvar a la persona o dañar la pared del vaso.

Un garaje enorme con cientos de plazas de aparcamiento. Llegas en un cochecito diminuto —la molécula del futuro fármaco— y quieres encontrar el único hueco libre donde encaje perfectamente. Solo que estos huecos no son de hormigón, sino que están tejidos con cadenas de ADN o ARN, y las reglas de aparcamiento no están escritas en ninguna parte.

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.

Una fábrica donde cientos de diminutas líneas de montaje trabajan sin parar. Cada línea es un motor molecular que convierte combustible químico en movimiento. Para que el motor vaya más rápido o en la dirección deseada, el ingeniero cambia los ajustes: la forma de las piezas, la fuerza de las interacciones.

Cada átomo de carbono en una molécula lleva consigo un pasaporte: la energía con la que sus electrones más profundos se mantienen en sus orbitales. Esta energía responde con sensibilidad a los vecinos: si aparece un oxígeno cerca o un doble enlace, la cifra del pasaporte cambia.

Un globo se infla solo, aunque nadie sople. Así se ve aproximadamente la expansión acelerada del universo, y para explicarla normalmente se invoca la energía oscura, una fuerza invisible e incomprensible. Pero, ¿y si el globo se hincha porque dentro de él aparecen continuamente nuevas moléculas de aire?

En una nube, miles de diminutas gotas de agua flotan en el aire. Para que llueva, necesitan crecer: unirse en gotas más grandes y volverse lo suficientemente pesadas como para caer al suelo.

Una diminuta estrella de oro se derrite bajo el haz de un microscopio electrónico y sus puntas se redondean lentamente. Antes, ese proceso solo podía verse en fotogramas tomados con largas pausas, y el propio haz de electrones llegaba a modificar la muestra.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos, y se comporta como una sopa de partículas cargadas. Para predecir cómo fluye y se calienta esa sopa, hay que saber cómo chocan las partículas e intercambian energía.

Los materiales viscoelásticos — polímeros que, como la masa, guardan memoria de cada toque: su reacción a un impacto depende del historial de deformaciones. Ya Максвелл y Больцман dieron una descripción matemática de esto.

Los microscopios modernos ven el cerebro con un detalle asombroso: no solo las sinapsis en sí, los puntos de contacto entre neuronas, sino también las moléculas que las componen. Cada vez hay más imágenes de este tipo y su costo disminuye.

Los sistemas físicos saben calcular. Si se construye un paisaje de colinas y valles de modo que el punto más bajo corresponda a la respuesta, el sistema rueda hasta allí solo, como una canica. El problema es que en el fondo suele haber una zona plana y la canica tarda mucho en quedarse quieta. Los autores del trabajo proponen empujar la canica hacia el lugar correcto antes de empezar.

Una aleación de siete metales es como un equipo donde cada jugador tira de la manta hacia sí. Los átomos de hierro, cobalto, níquel, aluminio, titanio, tantalio y vanadio pueden colocarse en un patrón estricto o dispersarse en posiciones aleatorias. De ello depende que el material sea tan resistente como el acero o tan ligero como el aluminio.

Romper un cubo de aluminio de unos pocos nanómetros de lado es como intentar ver caer una gota en cámara lenta cuando la propia cámara graba a la velocidad de una ametralladora. Los átomos dentro del metal vibran billones de veces por segundo, mientras que la deformación real en el laboratorio tarda minutos.

Un rayo láser mantiene un ion individual en el vacío, y este ion se comporta como una canica encerrada entre dos hoyos. Los hoyos no son agujeros en el suelo, sino regiones donde al ion le resulta energéticamente favorable estar. En el mundo clásico, la canica rodaría hacia uno de los hoyos y se quedaría allí.

Una partícula diminuta flota en un rayo láser, como una mota de polvo en la luz de una linterna. Las moléculas de agua la empujan constantemente, de forma desordenada y desde todas las direcciones. Normalmente, estos empujones estorban: la partícula se sacude y las mediciones precisas se convierten en una lotería.

Cuando los químicos observan cómo cambian las concentraciones de las sustancias, necesitan entender qué reacciones están detrás de esos cambios. Es como intentar reconstruir la receta de un plato a partir de fotografías de los platos en diferentes momentos de la comida. Antes, para esto se solían usar derivadas, es decir, las velocidades instantáneas de cambio de las concentraciones.

Las estrellas en las afueras de las galaxias giran más rápido de lo que dictan las leyes de la física si solo contamos la materia visible. Esta paradoja fue descubierta en el siglo XX por Vera Rubin y Fritz Zwicky.

Un químico que busca un nuevo fármaco se parece a un cocinero sin receta: tiene una lista de propiedades deseadas, pero millones de ingredientes posibles. Cada prueba cuesta caro y lleva tiempo, así que hay que probar con inteligencia. El nuevo programa SEISMO actúa como un cocinero que prueba el plato tras cada paso y decide al instante qué añadir después.

Encontrar el grupo más grande de desconocidos entre un montón de personas es un problema que aparece en logística, química y horarios. Las computadoras comunes caen en un agujero negro aquí: no por falta de potencia, sino por la estructura del problema, que absorbe cualquier solución clásica.

El ultrasonido en un líquido es como agitar rápidamente una botella de refresco: al agitarla, aparecen burbujas. Solo que en ciencia esto se llama cavitación, y las burbujas no simplemente flotan, sino que nacen, crecen y estallan con una fuerza enorme.

El agua de un arroyo rodea las piedras, pero la matemática de ese movimiento se esconde en una caja negra: así funcionan las redes neuronales comunes. Dan una respuesta, pero no dicen por qué. Los ingenieros no pueden confiar en una predicción si no ven su razonamiento. La hidrodinámica ahora tiene un modelo transparente.

Medir la energía de una partícula en el Gran Colisionador de Hadrones es como escuchar un susurro entre una multitud rugiente. Al colisionar protones, nace una avalancha de partículas cuyas señales se funden en una cacofonía. Los métodos convencionales, como un oído tapado por el ruido, subestiman sistemáticamente la energía.

Dos anillos de vórtice lanzados uno tras otro se atraviesan mutuamente, intercambiando sus posiciones. Esta danza, observada por primera vez en el siglo XIX con anillos de humo, ahora se ha reproducido en un procesador cuántico. Los vórtices son actores en el escenario cuántico, donde el tiempo actúa como una dimensión adicional.

En 2023, un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge ejecutó en la supercomputadora Theta la simulación de un circuito cuántico de 61 cúbits. Para almacenar su vector de estado se habrían necesitado 32 exabytes de memoria, más que la capacidad total de todos los discos duros del planeta.