Avances en el diseño de materiales

A lo largo de la última década, la predicción teórica de las reacciones de superficie ha tenido un desarrollo radical gracias a los avances de DFT y sus resultados se han comparado favorablemente con los experimentos. La teoría ha podido describir, en detalle, las reacciones químicas de superficie para entender las variaciones en actividades catalíticas de un catalizador a otro. En particular, se buscan catalizadores más activos y con mejor selectividad por medio de la modificación de la estructura electrónica de la superficie activa a través de su composición química y de su estructura espacial, ya que las propiedades catalíticas de un material son, en principio, determinadas por su estructura electrónica. Los modelos cinéticos basados en cálculos de DFT han podido predecir con precisión las reacciones catalíticas de catalizadores metálicos de rutenio y de platino⁵. Hoy en día, los catalizadores son ampliamente utilizados en la refinación de combustibles, en la petroquímica, así como en la tecnología ambiental, por lo que son de especial importancia para nuestro país.

Los materiales con aplicaciones biológicas o biomateriales están convirtiéndose en otra de las áreas con mayor interés en el diseño computacional. Los biomateriales constituyen la base de la industria de implantes y prótesis médicas, elementos críticos para el cuidado de la salud. Actualmente, se reemplazan las prótesis tradicionales por materiales biodegradables, como los polímeros, que sirven como sustento para la regeneración de tejido dañado o perdido. Para macromoléculas como los polímeros se pueden usar técnicas de modelaje cuántico junto con métodos combinatorios para reducir el número de estructuras poliméricas que, finalmente, se sintetizan en el laboratorio. Este proceso ha sido utilizado exitosamente en el diseño de un nuevo polímero para la endoprótesis vascular.⁶ Asimismo, el diseño racional de medicamentos basado en su estructura, ha tenido un desarrollo vertiginoso en los últimos años, especialmente en lo que se refiere a su afinidad y a su selectividad. Idealmente, un único compuesto se sintetizaría siguiendo las predicciones teóricas; en realidad, la capacidad de cómputo actual alcanza sólo a reducir significativamente el número de iteraciones de diseño, síntesis y prueba antes de que una molécula óptima sea descubierta. Por ejemplo, en el 2004, mediante métodos computacionales, se predijo un nuevo inhibidor de la integrasa,⁷ el cual condujo a la aprobación del medicamento Isentress® de Merck, en el 2007, por la Administración de Alimentos y Fármacos de Estados Unidos (FDA por sus siglas en inglés) para el tratamiento del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).⁸

Otro ejemplo de diseño de materiales a primeros principios fue la predicción de los cambios estructurales y electrónicos de los metales alcalinos bajo altas presiones, que fue recientemente corroborada en la observación de la transparencia óptica en sodio sometido a una presión de 200 GPa.⁹ Cabe mencionar que muchas de las predicciones obtenidas por métodos computacionales aún no han sido verificadas de forma experimental, debido a que las predicciones generalmente no especifican el método de síntesis. Un ejemplo de ello es la propuesta por Amy Y. Liu y Marvin L. Cohen en 1989¹⁰ sobre un posible compuesto más duro que el diamante. Recientemente se han registrado avances, tanto en teoría como en experimento, acerca del nitruro de boro en su fase wurzita revelando una dureza muy cercana a la del diamante. ¹¹

Nos encontramos a las puertas de la edad de los nanomateriales, cuyas principales características se derivan de su estructura en escala nanométrica, que es 10,000 veces más pequeña que el diámetro de un cabello humano. Debido a que dicha estructura contiene un número reducido de átomos, su modelaje computacional a primeros principios se realiza de forma extensiva, tanto en el mundo como en nuestra máxima casa de estudios, con el apoyo de la supercomputadora KanBalam. Las peculiaridades de estos materiales se deben principalmente a dos factores -alto porcentaje de átomos en la superficie y confinamiento cuántico de las excitaciones- mismos que podrían conducir a la elaboración de una gran variedad de aplicaciones en catalizadores, sensores, almacenadores de hidrogeno, dispensadores de medicamento, emisores eficientes de luz, en cremas para protección UV, etcétera.

5. J. K. Nørskov, T. Bligaard, J. Rossmeisl y C. H. Christensen, "Towards the computational design of solid catalysts". Nature Chem. (2009) 1, 37.
6.J. Kohn y J. Zeltinger. "Degradable, drug-eluting stents: a new frontier for the treatment of coronary artery disease". Expert Review of Medical Devices (2005) 2, 667.
7. J. R. Schames, et al., "Discovery of a novel binding trench in HIV integrase", J. Med. Chem. (2004) 47, 1879.
8. H. Sun y D. O. Scott. "Structure-based drug metabolism predictions for drug design". Chem. Biol. Drug Design. (2010) 75, 3.
9. Y. Ma, et al., "Transparent dense sodium", Nature. (2009) 458, 182.
10. A. Y. Liu y M. L. Cohen, "Prediction of new low compressibility solids", Science. (1989) 245, 841.
11. Z. Pan, H. Sun, Y. Zhang y C. Chen,"Harder than diamond: superior indentation strength of wurtzite BN and lonsdaleite", Phys. Rev. Lett. (2009) 102, 055503.

Materiales por diseño ¿ficción o realidad?
Chumin Wang, Carlos Ramírez y Vicenta Sánchez