UCR con grandes avances de investigación en química cuántica

Manrique Vindas Segura

La mecánica clásica establece las leyes del movimiento de los objetos macroscópicos, pero a inicios del siglo XX, los físicos descubrieron que la mecánica clásica no funcionaba  al describir el comportamiento de partículas tan pequeñas como  electrones, núcleos de átomos y las moléculas.

El Dr.Cristopher Camacho Leandro, es profesor e investigador de la Escuela de Química de la UCR.

El comportamiento de estas partículas subatómicas se rige por un conjunto de leyes denominado mecánica  cuántica.

La aplicación de la mecánica cuántica y la teoría de los campos a los problemas de la química constituye la química cuántica, que describe matemáticamente y con ayuda de la computación, el comportamiento de la materia, sus propiedades y reactividad química, a nivel de moléculas, átomos y partículas subatómicas.

Gracias al avance de la tecnología en computación, la química cuántica y computacional ha logrado acelerar procesos para describir el comportamiento de la materia con modelos matemáticos de sus partes más elementales, como partículas, átomos y moléculas, los cuales antes se hacían "a pie" y tardaban meses o años.

Pionero en la región

El Dr. Cristopher Camacho Leandro es pionero en el desarrollo de la  química cuántica  en nuestro país.

Obtuvo los títulos de Licenciatura en Ingeniería Química en la UCR, el Doctorado en la Universidad Nacional Chiao Tung de Taiwan y realizo un posdoctorado en la Universidad de Nagoya, en Japón. Ambos en química cuántica.

A su regreso a Costa Rica se dedicó especialmente al desarrollo de la química cuántica como docente e investigador de la UCR.

En  el 2014 fundó  el Laboratorio de Química Cuántica en la Escuela de Química  de esta Universidad, en el cual lidera un equipo de investigación integrado por estudiantes de distintas carreras científicas como química, física e ingeniería química. (VER RECUADRO).

Dicho laboratorio se encuentra equipado con el suficiente poder computacional para llevar a cabo cálculos mecano-cuánticos complejos.

El Dr. Camacho explicó que su equipo trabaja en áreas que son la química cuántica y la química computacional.

En la parte de la química cuántica lo que hace el equipo de investigación es que “desarrollamos algoritmos para resolver problemas químicos y los programamos para su ejecución en computadoras. Esto porque la matemática es muy pesada y hacer  eso a mano, para sistemas que sean realmente de interés químico, sería imposible de resolver y con una computadora normal quedaría muy limitado el avance, por eso hay que usar clúster”.

Agregó que “hay que traducir todas esas ecuaciones y algoritmos a programas de computadora para que se puedan correr en clúster y obtener resultados de una forma tan rápida y exacta como sea posible”.  

La otra área en que trabaja el equipo es la química computacional, que consiste en correr los programas computacionales que ya han desarrollado los químicos cuánticos para hacer los cálculos y analizar los resultados.

Mencionó que en otras universidades del mundo, existen investigadores que se enfocan principalmente en la química cuántica, mientras otros en la parte de química computacional, en el caso del grupo de investigación que él lidera, trabaja en ambos  ámbitos.

Proyección internacional

El equipo de investigación liderado por el Dr. Camacho, logró que una propuesta conjunta de investigación fuera aceptada por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee;  Estados Unidos de América (EUA), el cual posee el supercomputador más poderoso y veloz del mundo llamado  SUMMIT.

Después de pasar  por un proceso extensivo de selección, el proyecto de la UCR, que forma parte de una investigación internacional que involucra también a la Universidad de Bremen en Alemania y el mismo Laboratorio Nacional de Oak Ridge, logró que le concedieran un millón de horas en el supercomputador SUMMIT, lo cual solo se le permite a investigaciones muy importantes que lo ameriten.

Dentro de esta investigación, el equipo de la UCR implemento un programa de cómputo para cálculos mecánico-cuánticos, el cual se basa en un programa desarrollado por la Universidad de Bremen en Alemania, que originalmente lo hizo para correr únicamente en unidades centrales de procesamiento (conocidas por las siglas CPU de Central Processing Unit).

El equipo costarricense implementó las tareas que más tiempo consumen del programa para su ejecución en “unidades de procesamiento gráfico (GPUs), como parte de un proyecto que recibió financiamiento del Fondo Semilla de la Vicerrectoría de Investigación titulado “Aceleración de cálculos químico cuánticos por medio de  unidades de procesamiento gráfico”.

Con este desarrollo computacional, se ha  disminuido en unas 25 veces  el tiempo requerido para realizar dinámicas moleculares, lo cual implica que algunos cálculos que tardaban un año en realizarse, ahora se pueden efectuar en solo dos semanas.

Sobre esto señaló el Dr. Camacho, que el programa ya está listo y ha sido incluido dentro del programa madre que tiene la Universidad de Bremen, de manera que “ya está para que cualquier persona a nivel mundial que quiera utilizar el programa, lo pueda hacer. Quien descargue y utilice  la implementación para  GPUs del programa en el país que sea, va a tener un código para generar los cálculos, el cual es enteramente desarrollado en la UCR”.

Esto significa que cualquier científico en el mundo que utilice este código deberá citar la publicación científica relacionada, donde se menciona que fue desarrollado en la UCR, por el equipo de investigación liderado por el Dr. Camacho.

En ese sentido recalcó el científico, que “demostrar nuestras capacidades nos abre puertas para colaborar en proyectos conjuntos con otras universidades y científicos del planeta en condiciones de igual a igual”.

El Dr. Camacho forma parte de un grupo internacional de investigación, conformado por científicos reconocidos mundialmente que publican resultados de sus investigaciones en acreditadas revistas científicas o del campo de la química.

Así por ejemplo, en el 2016 en la revista Nature Communications, se publicó un artículo colaborativo de varios científicos con los resultados de una investigación liderada por el profesor Shohei Saito de la Universidad de Kyoto en Japón.

Era el estudio de un grupo de moléculas que pueden adquirir o perder propiedades adhesivas en función de si  se irradian o no con luz. En este estudio el Dr. Camacho efectuó los cálculos teóricos, mecano-cuánticos y la interpretación de los resultados, por lo que aparece como coautor junto a nueve científicos de varias universidades de Japón.

Con este tipo de actividades, el Dr. Camacho mantiene relaciones con químicos de países de diferentes latitudes que practican ciencia del más alto nivel, lo que levanta la imagen científica de la UCR y del país.

Hay varios tópicos que al equipo de investigación en  química cuántica de la UCR le interesan.

Entre ellos está la química de estados excitados. Según explicó el Dr. Camacho “es algo que desde el punto de vista teórico nos interesa. Por ejemplo: ¿Qué ocurre cuando usted  irradia luz sobre una molécula y la excita con fotones?, ¿cuál es el mecanismo por el cual ocurre, por qué el espectro producido se ve de la forma en qué se ve?, ¿por qué una molécula reacciona con otra?

El equipo del Dr. Camacho, también  trabaja en cosas más abstractas, “como pensar que uno podría imaginar una molécula como un grafo desde el punto de vista matemático, en el cual los átomos son los vértices del grafo”,un ejemplo es el artículo publicado recientemente en MATCH Commun. Math. Comput. Chem”. concluyó el experto.

VER VIDEO DEL DR. CAMACHO EN LA DIRECCIÓN:

https://www.ucr.ac.cr/multimedios/videos/cristopher-camacho-unico-quimico-cuantico-en-el-pais.html

Integrantes del equipo de investigación del Laboratorio de Química Cuántica en la Escuela de Química de la UCR (De izquierda a derecha): Dr. Cristopher Camacho, Francisco López, Francesca Borsani, Jochebet Godínez, Alejandra Chavarría, Ma. Daniela Palomo, Andrés Lizano, José Sáenz y Roberto González. No aparece en la foto Caterina Cevallos, quien realiza una pasantía en Imperial College London.

Integrantes del equipo de investigación del Laboratorio de Química Cuántica

Nombre

Carrera

Mauricio Gutiérrez Arguedas

PhD    Profesor colaborador asociado al grupo

Andrés Lizano Villalobos

Licenciado en Ingeniería Química / Estudiante 4to año Bach. en Física

José Francisco López Solano

Bachiller en Química/ Estudiante de Lic. Química

María Alejandra Chavarría Jiménez

Estudiante 5to año Lic. Ingeniería Química

José Francisco Sáenz Calvo

Estudiante 2do año Bach. en Física

Roberto Andrés González León

Bachiller en Química/ Estudiante Maestría Química/ Estudiante 4to año Bach. en Física

Maria Daniela Palomo Serrano

Bachiller en Química/ Estudiante de Lic. Química (visitante del grupo del Prof. Erick Castellon)

Jochebeth Godínez Bolaños

Bachiller en Química/ Estudiante de Lic. Química (visitante del grupo del Prof. Juan Jose Araya)

María Caterina Cevallos Brenes

Bachiller en Física/ Estudiante 4to año Bach. en Química

Francesca Borsani Aragón

Estudiante 3er año Bach. en Química