Simulaciones numéricas para predecir el comportamiento de los electrones
En el ámbito de la física aplicada, las propiedades de las partículas individuales que forman la materia se entienden relativamente bien. Pero, en determinadas circunstancias, las interacciones entre ellas cambian sus propiedades, provocando que su comprensión presente una alta dificultad intrínseca, por lo que su estudio teórico se basa principalmente en simulaciones numéricas.
En este contexto, el grupo de excelencia 'Materia Condensada' de la Fundación Séneca, liderado por el físico Miguel Ortuño Ortín, profesor de la Universidad de Murcia, está llevando a cabo importantes estudios sobre el comportamiento emergente que surge en sistemas electrónicos complejos a causa de las interacciones entre sus componentes y con agentes externos, también por los efectos que pueden causar en la materia. Esto constituye un problema de interés básico, pero con numerosas aplicaciones tecnológicas, tales como superconductividad, células solares, nanoelectrónica y hadronterapia, por citar algunas.
Para ello, el grupo posee un sistema de ordenadores interconectados, con una alta capacidad de cálculo, que constituye una potente herramienta que le permite colaborar con equipos de investigadores internacionales de primer nivel, tanto teóricos como experimentales.
Actualmente, los investigadores murcianos están estudiando el papel de las interacciones electrónicas en diversos problemas que se pueden agrupar en tres grandes líneas de investigación, caracterizadas por sus diferentes escalas y aplicaciones prácticas: vidrios electrónicos, transiciones de fase cuántica e interacciones electrónicas en materiales de interés biológico y nanoelectrónico.
En el primer campo, el de los vidrios electrónicos, las interacciones suelen ser especialmente importantes en sistemas bidimensionales y pueden llegar a ser de muy largo alcance, modificando drásticamente las propiedades de los materiales correspondientes. Para estudiar este problema se utilizan las técnicas numéricas desarrolladas por el propio equipo investigador, “además de colaborar con el grupo experimental DIANA de nuestro departamento, que trabaja en microscopía de fuerza atómica, para interpretar sus resultados en términos de las interacciones. Estamos desarrollando un programa que sea capaz de proporcionar la distribución de carga en la nanoescala sobre una superficie a partir de los datos experimentales de este tipo de microscopio” explica Miguel Ortuño, quien destaca que “los resultados pueden ser de interés en células solares fotovoltaicas”.
Transiciones de fase cuánticas
El grupo de excelencia también ha conseguido grandes avances a la hora de desarrollar programas numéricos que analizan de forma efectiva las transiciones cuánticas. El investigador principal explica que una transición de fase típica es el paso de sólido a líquido, proceso que se comprende con las leyes de la física clásica y que es un reflejo de la competencia entre las fluctuaciones térmicas y la atracción molecular. Sin embargo, “en las transiciones de fase cuánticas, las fluctuaciones, en lugar de ser térmicas, son cuánticas y ello hace que el problema sea mucho más rico, pero más difícil. En ellas, por ejemplo, se da la posibilidad de que la transición sea entre dos fases ordenadas”, puntualiza.
En cuanto a la tercera línea de investigación, las interacciones electrónicas en materiales de interés biológico y nanoelectrónico, el catedrático de Física Aplicada indica que “los electrones secundarios generados por la radiación ionizante que se produce en biomateriales contribuyen significativamente al dañado celular. Esto tiene implicaciones para el tratamiento del cáncer mediante radioterapia”.
Los mecanismos concretos por los que se produce el dañado de los diferentes constituyentes celulares no se conocen todavía con certeza. Por ello, el objetivo de esta investigación es describir detalladamente los diferentes acontecimientos que tienen lugar durante el transporte de los electrones secundarios, desde el lugar donde se generan, hasta que llegan a las regiones donde pueden alterar la estructura del ADN, con el consiguiente dañado celular y destrucción de tumores.
Para entender mejor todos estos procesos, los investigadores del grupo de Materia Condensada utilizan modelos mixtos de técnicas de simulación por computadora, como el método Montecarlo (para realizar cálculos utilizando variables aleatorias) y la dinámica molecular clásica. “El estudio intenta conocer tanto el número de electrones emitidos como sus distribuciones energéticas y angulares, ya que mientras que los electrones de alta energía pueden recorrer grandes distancias, los de baja energía son muy efectivos para la disociación de biomoléculas”, comenta Ortuño.
'Simulaciones numéricas de sistemas interactuantes complejos' agrupa tres líneas de trabajo que actualmente desarrolla el grupo de investigación de Materia Condensada, un Grupo de Excelencia apoyado por la Fundación Séneca y liderado por el catedrático de Física Aplicada Miguel Ortuño Ortín y Rafael García Molina. Este grupo del departamento de Física de la Facultad de Química de la Universidad de Murcia, lo forma también Emilio Cuevas Rodríguez, Andrés Somoza Gimeno, Isabel Abril y Pablo de Vera.