Una forma más inteligente de predecir los equilibrios químicos

7th marzo 2025 – Un grupo de investigación dirigido por el Prof. Carles Bo en el Instituto de Investigación Química de Cataluña (ICIQ) ha dado un gran paso adelante en la predicción de cómo se forman ciertos compuestos químicos, conocidos como polioxometalatos (POM). Al desarrollar un protocolo de escalado universal, los investigadores han ampliado el alcance de su innovadora herramienta, el POMSimulator. Esta innovación, publicada recientemente en Digital Discovery, elimina las limitaciones anteriores y representa un hito clave en la química inorgánica.

Predecir cómo interactúan y cambian las moléculas en distintas condiciones es uno de los grandes retos de la química. Un aspecto importante es determinar las constantes de equilibrio, especialmente las constantes de disociación ácida (pKa), que son esenciales en campos que van desde la biología a la industria. Sin embargo, predecir estos valores es especialmente difícil en el caso de los POM, un grupo de agrupaciones moleculares metal-oxo que se forman mediante reacciones ácido-base.

Los investigadores Dr. Jordi Buils, Dr. Diego Garay-Ruiz, Dr. Enric Petrus, Dra. Mireia Segado-Centellas y Prof. Carles Bo han mejorado significativamente el POMSimulator, una herramienta que desarrollaron para simular cómo se forman los POM. Este método utiliza cálculos avanzados de química cuántica, concretamente la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), para modelizar el comportamiento químico de estos compuestos. Analizando cuidadosamente un gran conjunto de datos de constantes de formación de POM, los investigadores han introducido un enfoque de escala universal que afina la precisión de las predicciones. Anteriormente, el POMSimulator se basaba en datos experimentales para ajustar sus predicciones, pero el nuevo método elimina esta dependencia, lo que lo hace útil para sistemas en los que no se dispone de datos previos. El equipo también ha introducido un enfoque estadístico para tratar las enormes cantidades de datos que genera el método, lo que hace que la herramienta sea aún más versátil.

Cómo funciona el Simulador POM

El grupo del Prof. Bo presentó en 2024 un paquete de software de código abierto denominado POMSimulator que ayuda a comprender los mecanismos de formación de los POM. Al publicar una versión pública del código, los investigadores pretendían proporcionar una herramienta para complementar el descubrimiento de nuevos POM, ya que POMSimulator predice cómo se comportan los POM en el agua mediante la ejecución de simulaciones informáticas avanzadas.

El proceso comienza con la recogida de datos moleculares clave, como estructuras, densidades electrónicas y valores energéticos, que luego se utilizan para construir automáticamente una red de reacciones químicas (CRN). Esta red, que describe cómo interactúan las distintas moléculas, suele ser muy compleja. Para darle sentido, los investigadores desarrollaron un método que descompone la red en conjuntos manejables de ecuaciones. La resolución de estas ecuaciones proporciona una imagen detallada de cómo existen e interactúan las moléculas en disolución, incluido el modo en que los niveles de pH afectan a su estabilidad.

Impacto y aplicaciones futuras

La innovación presentada en Digital Discovery es el resultado de casi siete años de dedicada investigación, incluidas tres tesis doctorales y seis publicaciones científicas de gran impacto. El Prof. Carles Bo destaca la importancia de este trabajo:

«Este artículo representa la cumbre del trabajo de nuestro grupo en los últimos años, y no podría estar más orgulloso. Hemos desarrollado un método computacional novedoso para simular equilibrios químicos complejos, teniendo en cuenta el pH y las concentraciones de las especies mediante cálculos DFT, algo que ningún otro método consigue. Nuestro equipo, compuesto por jóvenes y brillantes investigadores, ha realizado todo el trabajo teórico y computacional de forma independiente en el ICIQ, demostrando el poder de la investigación basada en datos y las habilidades de codificación en la química moderna. El software mueve el mundo».

La metodología mejorada del POMSimulator, junto con su nuevo protocolo de escalado universal, podría aplicarse a muchos otros sistemas químicos más allá de los POM. Con múltiples estudios publicados e investigaciones en curso, esta innovadora herramienta tiene el potencial de transformar la forma en que los científicos predicen los equilibrios químicos, abriendo nuevas puertas a desarrollos en catálisis, materiales energéticos y otros campos.

Autor Dr. Enric Petrus Pérez (2020)