Wednesday, September 20, 2017

Retos para las Simulaciones de Sistemas con Iones Metálicos

El desarrollo de modelos para el estudio de los iones metálicos está teniendo un acelerado crecimiento en la actualidad debido a la implementación de hardware con mayor poder de procesamiento, lo cual ha permitido que estudios que habría sido imposible llevar a cabo en el pasado sean viables hoy en día. A mediados del siglo pasado las simulaciones apenas conseguían modelar algo más allá del átomo de hidrógeno, mientras que actualmente es posible estudiar sistemas con cientos de átomos a partir de modelos basados en la mecánica cuántica; esto permite elucidar información a nivel atómico o electrónico que sería muy complicado obtener de forma experimental, permitiendo no sólo interpretar fenómenos químicos sino, también, proveer nuevas hipótesis.
En el ámbito del estudio de los iones metálicos, estos representan un reto mayor para el modelaje ya que sus orbitales d o f también pueden participar en enlaces químicos y cuentan con más electrones y formas complicadas; de igual forma, tienen múltiples estados de oxidación que resultan en sistemas altamente cargados que deben ser tomados en cuenta por las simulaciones. Por si fuera poco, otro reto para los modelos de metales de transición son las complicadas estructuras electrónicas de los mismos, ya que cuentan con varios estados de spin con energías cercanas, dificultando la predicción del estado basal del metal y el cálculo de las energías relativas de los distintos estados, puesto que estos pueden existir al mismo tiempo o ser degenerados. Además, los enlaces químicos de los sistemas que contienen metales de transición son más complicados que sus contrapartes orgánicas debido a su habilidad de tener entornos de coordinación flexibles o dinámicos, resultando en que sus enlaces sean caracterizados en un continuo de covalentes a iónicos, lo cual no es facilitado por el hecho de que los metales de transición puedan tener altos y flexibles números de coordinación.
Por desgracia, existen datos experimentales limitados sobre los metales de transición en comparación con los disponibles para los compuestos orgánicos, lo cual ralentiza el desarrollo de métodos de modelaje adecuados; tampoco es de ayuda que existan varias inconsistencias entre los datos experimentales y computacionales disponibles. A manera de superar todos estos retos, es imperioso el desarrollo de más estudios experimentales, nuevos softwares y mayores estudios de aplicación, puesto que esto permitiría que los métodos computacionales fueran parametrizados. No debe olvidarse, tampoco, que es importante no sólo estudiar estos sistemas con metales de transición a través de un acercamiento químico, sino que también es importante abordarlos desde perspectivas físicas; finalmente, el desarrollo de algoritmos requiere cruzar la brecha entre los modelos cuánticos y clásicos.

Referencia

Li, P., & Merz Jr, K. M. (2017). Metal ion modeling using classical mechanics. Chemical reviews, 117(3), 1564-1686.

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