La realidad a través de las computadoras

Los científicos intentan comprender la naturaleza y diseñan nuevos materiales a través de la creación de modelos virtuales en supercomputadoras.

La realidad a través de las computadoras

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Supercomputadoras

Suplementos

Guido Prieto, becario de Prensa de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Publicado el 07 DE ENERO DE 2016

En los últimos cuarenta años, el trabajo conjunto de físicos, químicos, matemáticos e informáticos de todo el mundo, sumado a la evolución de la computación, ha permitido el estudio detallado de fenómenos naturales que antes eran inaccesibles al conocimiento científico. La clave de esta verdadera revolución en la ciencia es un cambio de enfoque que consiste en modelar porciones de la realidad mediante poderosas computadoras, para poder simular los procesos que se quieren estudiar. Esto permite realizar experimentos virtuales que luego pueden ser cotejados con experimentos de laboratorio. 

Estas simulaciones permiten responder una cantidad enorme de preguntas, desde cómo se mueven las moléculas en las reacciones químicas hasta cómo se comportan las sociedades humanas, o el resultado de las colisiones entre gránulos de polvo interestelar. Investigadores de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEN), como el doctor Mario Del Pópolo, llevan a cabo simulaciones de primer nivel para responder preguntas en la vanguardia de la ciencia.

"Las simulaciones te ayudan a entender cómo funcionan las cosas. Ese es básicamente el objetivo. Por ejemplo, en química o en física, uno quiere entender por qué un material tiene ciertas propiedades en base a lo que hacen las moléculas que lo conforman. Es decir, uno quiere explicar el comportamiento macroscópico a partir del comportamiento molecular”, explica Del Pópolo. El investigador del CONICET agrega: “La simulación justamente es una herramienta que te permite, bajo ciertas condiciones, saber cómo se va a comportar el material a nivel molecular. Las ecuaciones que uno tiene que resolver para describir el movimiento de los átomos y moléculas son demasiado complicadas como para que uno pueda resolverlas con papel y lápiz. Por lo tanto uno tiene que resolverlas numéricamente en una computadora”.

Las simulaciones moleculares se realizan paso a paso, como explica el investigador: “Empezamos con cálculos y simulaciones que nos permiten estudiar una molécula aislada. Estudiamos la estructura de la molécula, cómo se distribuyen sus electrones, cómo se cargan y se mueven los distintos átomos que la forman. Con ese estudio podemos hacer un modelo que nos permite estudiar muchas moléculas juntas. Así podemos ir subiendo en escala de descripción, concatenando modelos cada vez más simplificados. Por lo general hay una pérdida de información en cada paso, por eso el apoyo con el trabajo experimental que se hace sobre los materiales reales es muy importante”.

 

El ballet de las moléculas

Las computadoras resuelven las cuentas pero además arrojan, como resultado, imágenes y animaciones muy coloridas y vistosas. Sobre esto, Del Pópolo confiesa: “En rigor, la parte gráfica no es esencial. Vos podrías hacer simulación sin ver una sola imagen de las moléculas, simplemente mirando números, que generalmente son lo más importante. Demás está decir que los 'dibujitos' que podés hacer con las moléculas son bonitos, pero ese no es el punto”. 

Al respecto, reflexiona: “Sin embargo, a la persona que trabaja en simulaciones, ver cómo se mueven y deforman las moléculas, cómo reaccionan entre sí, cómo se ubican en el espacio, le ayuda a entender el problema y a formular hipótesis. Además la representación gráfica de la información generada durante una simulación facilita muchísimo la comunicación con los demás”.

 

Trabajo en tándem

Los experimentos virtuales pueden, en ciertos casos, ahorrar tiempo y dinero ya que los experimentos de laboratorio requieren reactivos y equipamiento sofisticado. El experto explica: “Lo que hacemos es combinar simulaciones con trabajo que se hace en el laboratorio. Muchas veces la interacción simulación-experimento requiere idas y vueltas. Vos hiciste algo con la computadora y vas al experimentalista. Éste prueba en el laboratorio y te dice si funciona o no. Si no funciona, tenés que cambiar cosas en tu simulación y viceversa. A veces pasa que la simulación sugiere caminos a seguir en el laboratorio. Es decir, las simulaciones y los experimentos se complementan mutuamente. Pero además las simulaciones tienen otro aspecto muy interesante, y es que pueden servir como banco de prueba de teorías”. 

Esta forma de trabajo en equipo, que a menudo implica asociación con laboratorios en otras instituciones, permite unificar la información obtenida con la computadora y la que proviene de los experimentos, como sostiene Del Pópolo: “En la computadora podemos diseñar muchas moléculas que después no se pueden fabricar por cuestiones técnicas. Por ejemplo, porque no se pueden purificar, porque la fabricación en sí es difícil y costosa, porque los productos de partida son muy caros. Pero, en realidad, en muchos de nuestros proyectos preferimos permanecer dentro del universo de lo que los experimentalistas pueden hacer. Por eso es tan importante el diálogo con la gente que está en el laboratorio”.

 

Supercomputadoras

Además de creatividad, ingenio y conocimientos de matemática, física y química, los investigadores que realizan simulaciones necesitan equipamiento específico que incluye "supercomputadoras". “Básicamente los insumos que necesitamos son computadoras individuales para cada investigador, una buena conexión a internet y un ‘cluster’, ya sea aquí en Mendoza, o en algún otro lado. En general las simulaciones a escala atómica o molecular requieren computadoras grandes y mucho tiempo de cómputo”. 

Pero ¿qué es un cluster? Básicamente muchas computadoras puestas a trabajar en red al mismo tiempo. Esto permite combinar sus capacidades de cómputo y poder resolver cuentas extremadamente complejas, por lo que se habla de "supercomputadoras".

La FCEN cuenta con una llamada Toko que, con sus 250 núcleos y varias tarjetas gráficas que elevan su capacidad a varios miles de núcleos, es la computadora más poderosa de Mendoza. Para poder tener una idea aproximada de su capacidad hay que tener en cuenta que una computadora hogareña moderna tiene hasta cinco núcleos.

Toko constituye, además de un recurso para los investigadores como Del Pópolo, una valiosa herramienta de enseñanza. En este momento se encuentra en una etapa de mejoramiento de sus capacidades e instalaciones para que pueda brindar servicios de mayor complejidad. “Acá los recursos computacionales son limitados, pero esperamos poder mejorarlos en un futuro cercano”, detalla el investigador.

Nanopartícula

Transporte de una nanopartícula a través de una bicapa lipídica. La nanopartícula está cubierta con péptidos de penetración celular. La bicapa lipídica es un modelo de membrana celular. En este proyecto se estudia el efecto de los péptidos sobre la veloci