Mi área de investigación

Mi investigación trata sobre las interfases, el lugar complejo donde se encuentran dos partes distintas de un sistema y comparten las propiedades de cada uno de los lados.  Por muy grandes que sean los sistemas, en las interfases es donde suelen ocurrir las cosas más inquietantes, y donde se toman las decisiones más importantes. Por eso sería una tontería tratar de resolver el problema de las interfases mirando sólo a un lado de la frontera. Esto  las moléculas lo entienden fácilmente, y por eso alcanzan siempre un compromiso óptimo entre las partes. Es así como las interfases determinan el tamaño y la forma de las gotas o las micelas, la velocidad de crecimiento y evaporación de los líquidos y cristales o la actividad catalítica.

Estudio el problema de las interfases con las herramientas de la Simulación Molecular y la Mecánica Estadística.

Simulación Molecular.

En la simulación molecular colocamos los átomos y las moléculas en un recinto, y las dejamos correr a sus anchas. Las únicas reglas son las interacciones entre las moléculas y las leyes de Newton (con permiso de la Mecánica Cuántica). Estudiando las carreras locas de las moléculas de un sito al otro determinamos su comportamiento. Es muy difícil saberlo todo sobre la vida de tantas moléculas, pero haciendo promedios conseguimos determinar las propiedades de la sustancia que componen.

Así que la simulación molecular es como un experimento simulado, con sus pegas y sus ventajas. La pega es que no conocemos exactamente las interacciones moleculares, así que nos conformamos con modelos aproximados de las fuerzas intermoleculares. La ventaja es que podemos observar cada molécula individualmente, como si tuviesemos un microscopio de resolución atómica. Pero bueno, la cosa no es perfecta. Calcular las trayectorias de las moléculas lleva su rato. Por eso tenemos que hacer simulaciones que a veces duran horas, pero otras duran semanas o meses en ordenadores potentes. Incluso así, nos tenemos que conformar con trayectos cortos y un número pequeño de moléculas.

Mecánica Estadística.

La mecánica estadística es un campo multidisciplinar que relaciona las propiedades de una sustancia con las de las moléculas que la componen. En mi trabajo diario empleo conocimientos de Química, Física, Matemáticas y Programación.

La Termodinámica, es la parte de la física y la química que se encarga de estudiar las propiedades de equilibrio. El mundo es un caos, es verdad, pero conseguimos entenderlo mejor si lo dividimos en pequeños fragmentos en equilibrio (una gota de agua, una porción de la atmósfera, una proteina...).

La idea básica de la Termodinámica es sencilla y genial. Si un sistema está en equilibrio, es que está quieto. Y si está quieto, no puede hacer trabajo. Así que el equilibrio es el estado donde la capacidad de hacer trabajo es más pequeña. De esta manera, calculando calor y trabajo, podemos determinar las condiciones de equilibrio de los sistemas. Saber cual es el punto de equilibrio no nos dice quienes somos ni de donde venimos, pero sí a dónde vamos.

En Matemáticas, al lugar donde las cosas son más pequeñas se les llama un mínimo. Los matemáticos saben muchísimo sobre los mínimos de una función. Empleando el cáculo diferencial podemos deducir multitud de propiedades de los estados en equilibrio.

La Estadística es una ciencia curiosa. Nos dice cuánto podríamos llegar a saber sobre algo de lo que no sabemos demasiado. Cuantifica la incertidumbre mediante probabilidades, y determina la certidumbre que contienen. Es imposible saberlo todo sobre la vida de una molécula, pero podemos saber muchas cosas si promediamos sus propiedades.

La Termodinámica Estadística se basa en otra idea genial, debida a Boltzmann. Si un sistema fuera de equilibrio tiende gradualmente al equilibrio y finalmente permanece en dicho estado indefinidamente, entonces el equilibrio es aquel estado más probable del sistema. Así que haciendo promedios y determinando probabilidades de los átomos conseguimos predecir las propiedades de equilibrio de las sustancias.

El equilibrio es un sitio aburrido, el lugar donde no pasa nada. Pero si sabemos a donde quieren ir las moléculas, entonces podemos predecir también la dinámica de los procesos.

Es así como las matemáticas, las probabilidades y las leyes del movimiento de los átomos se juntan en la disciplina de la Mecánica Estadística para determinar las propiedades de la materia.