JOSÉ LUIS GÁZQUEZ MATEOS
Doctor en Fisicoquímica Teórica. Profesor del Departamento de Química, Universidad Autónoma Metropolitana – Iztapalapa. Responsable técnico del proyecto de Ciencia de Frontera titulado «Estructura electrónica e inteligencia artificial aplicada a problemas actuales de tecnología química en México», modalidad sinergia.

En este artículo presentamos nuestro proyecto de investigación, que se desarrollará gracias al apoyo financiero de Conacyt. Esta propuesta corresponde a la modalidad de sinergias, pues implica la participación de varias instituciones y un conjunto de investigadores.

Desarrollar metodologías teóricas para abordar temas de frontera en fisicoquímica permite aportar respuestas novedosas a problemas de la industria química. A partir del conocimiento de la estructura electrónica de un conjunto muy grande de sistemas que potencialmente cumplen con las condiciones para una aplicación específica, es posible identificar los requisitos moleculares más representativos y útiles para ella. Así, una vez que contamos con esta información, podemos llevar a cabo el desarrollo final a nivel experimental, sólo para el grupo de sistemas que los cumpla mejor, de manera que resulte más eficiente y viable la búsqueda de compuestos químicos para aplicaciones específicas.

Con ese fin, proponemos la integración de tres campos del conocimiento: el cómputo de alto desempeño (CAD), la mecánica cuántica y la inteligencia artificial (IA). De esta manera será posible predecir con gran precisión la estructura y propiedades de materiales relacionados con varios problemas actuales de la industria mexicana.

El CAD es la herramienta necesaria para la realización de los cálculos de estructura electrónica de las moléculas por medio de la mecánica cuántica y, también, para la identificación de patrones de comportamiento en conjuntos de datos que pueden ser complejos debido a la naturaleza y cantidad de elementos. Dicha tarea se realizará a través de técnicas de IA con la infraestructura del Laboratorio Nacional de Cómputo de Alto Desempeño (LANCAD), integrado por los centros de supercómputo del Cinvestav, de la Universidad Autónoma Metropolitana y de la Universidad Nacional Autónoma de México, los cuales están interconectados mediante una red de fibra óptica de alta velocidad que corre por los ductos del metro de la Ciudad de México.

Dado que la precisión de las predicciones obtenidas por medio de IA depende, en gran medida, de la calidad de los datos contenidos en los conjuntos de entrenamiento, resulta relevante para el proyecto realizar cálculos de las estructuras electrónicas de sistemas con muchos átomos, que a la vez sean capaces de predecir geometrías y energías con una gran exactitud. Para ello, emplearemos los métodos de la mecánica cuántica diseñados para tratar moléculas que poseen muchos electrones (teoría de funcionales de la densidad electrónica) y, en paralelo, continuaremos con la mejora de estos métodos para incrementar su capacidad predictiva. También desarrollaremos indicadores de reactividad química que permitan identificar los requisitos que debe reunir la estructura electrónica para que los sistemas estudiados cumplan con las propiedades que se necesitan de acuerdo con el problema que se analice.

Con esta metodología abordaremos problemas de interés nacional como la desulfuración del petróleo mexicano, la toxicidad de pesticidas y sus impurezas, la formación de polimorfos de interés farmacéutico, las estructuras y propiedades de las sustancias amorfas para desarrollar dispositivos de almacenamiento y de los sistemas magnéticos para el diseño de sensores químicos.

En el caso de la desulfuración del petróleo mexicano, nuestro objetivo es obtener nuevos materiales que sean candidatos viables para reducir el contenido de azufre en el crudo maya, con la finalidad de disminuir su impacto en el medio ambiente.

Por otra parte, la toxicidad de pesticidas y las impurezas que los acompañan necesitan cuantificarse. Nuestro objetivo es desarrollar modelos predictivos de las propiedades toxicológicas de estos compuestos, en particular para el caso de impurezas que aparecen en cantidades tan pequeñas que son difíciles de cuantificar experimentalmente. Además, en conjunto con metodologías de búsqueda virtual automatizada, buscaremos nuevos pesticidas con un mejor perfil toxicológico.

Otra industria que se beneficiará con esta investigación es la farmacéutica. La determinación de las formas en que cristaliza una molécula orgánica (polimorfos) es de gran importancia, ya que están directamente ligadas con el principio activo de los medicamentos. Nuestro objetivo es desarrollar un protocolo general para determinar de manera sistemática los polimorfos de una molécula a partir del estudio particular de la aspirina, el acetaminofén, la glicina y la piridina, estas dos últimas son moléculas pequeñas semiflexibles.

La información obtenida será útil para la industria electrónica, pues muchos dispositivos emplean carbón vítreo y silicio amorfo, sustancias que analizaremos. Para alcanzar una descripción confiable de estos sistemas es importante conocer con detalle su estructura molecular, lo cual exige generar potenciales que tomen en cuenta la formación y el rompimiento de enlaces. El propósito es utilizar los resultados de la estructura electrónica en combinación con una red neuronal para, con ello, generar dichos potenciales para ambos sistemas.

Finalmente, con el objeto de acelerar el desarrollo de materiales magnéticos que puedan utilizarse como sensores o elementos en electrónica molecular, resulta necesario estudiar moléculas con metales de transición que modifiquen ligeramente su estructura electrónica —relacionada con sus propiedades magnéticas— dentro del rango de temperatura adecuado para la aplicación considerada. Dado que el número de sistemas que potencialmente pueden reunir estas características es enorme, en este proyecto se pretende generar una biblioteca muy grande de complejos metálicos que se explorará con técnicas de IA. Es importante señalar que los protocolos de IA generados para resolver los problemas aquí planteados podrán adaptarse en el futuro a otros temas similares.

En el grupo de trabajo participan quince investigadores asociados a cinco instituciones de educación superior (Cinvestav, UAEH, UAM, UNAM y UV). Entre ellos, hay expertos en el desarrollo de la teoría de funcionales de la densidad y de indicadores de la reactividad química, así como en calcular la estructura electrónica mediante técnicas que utilizan CAD y en IA. Tenemos la expectativa de que, con la sinergia de todos, se alcancen los objetivos que nos hemos planteado.