O poder das osgas
TU Wien resolve o puzzle das grandes moléculas
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Um quebra-cabeças da química teórica foi resolvido na TU Wien: um novo método computacional permite agora calcular as forças entre grandes moléculas com uma precisão sem precedentes.
Coronene-Dimer: Um exemplo de moléculas grandes com forças de Van-der-Waals
© TU Wien
Porque é que as osgas conseguem subir paredes? Porque é que o nitrogénio se torna líquido a -196 °C? Muitos fenómenos do dia a dia podem ser explicados pelas forças de van der Waals - ligações fracas entre moléculas que são notoriamente difíceis de calcular. Durante anos, os cientistas debateram-se com o facto de diferentes métodos computacionais produzirem resultados contraditórios.
Agora, investigadores da TU Wien resolveram esta discrepância e encontraram uma solução. Ironicamente, foi o próprio método, durante muito tempo considerado o "padrão de ouro" da química quântica, que se revelou a fonte do erro: sobrestima sistematicamente a energia contida em certas ligações moleculares. Com uma variante melhorada, a equipa da TU Wien pode agora prever corretamente o comportamento de grandes moléculas - um passo essencial para a compreensão dos sistemas biológicos e para o avanço das tecnologias de energias renováveis.
Um mistério da química
"Para descrever as ligações entre grandes moléculas, os cientistas utilizam diferentes abordagens computacionais", explicam Tobias Schäfer e Andreas Irmler, primeiros autores do novo estudo. Juntamente com Alejandro Gallo e o líder do grupo de investigação, Prof. Andreas Grüneis, compararam os métodos mais utilizados.
"Uma opção é utilizar simulações quânticas de Monte Carlo", diz Schäfer. "Aqui, o computador explora inúmeros arranjos possíveis de electrões - mantendo os energeticamente favoráveis e descartando os desfavoráveis. Outra opção é a chamada abordagem de aglomerados acoplados", acrescenta Irmler. "Neste caso, as moléculas são tratadas nos seus estados de baixa energia e as configurações de alta energia são adicionadas mais tarde como uma espécie de correção."
"Este método de aglomerado acoplado foi durante muito tempo considerado como o padrão de ouro", diz Schäfer. "Mas, quanto mais nos aproximávamos, mais claro se tornava que havia pequenos mas persistentes desvios em relação aos resultados de Monte Carlo e, durante anos, ninguém sabia porquê."
Agora a equipa da TU Wien encontrou a resposta: "Descobrimos que o método do aglomerado acoplado sobrestima sistematicamente as energias de ligação em moléculas grandes e altamente polarizáveis", explica Irmler. "A nossa variante melhorada corrige este desvio sem aumentar significativamente o custo computacional." Com esta correção, os resultados estão agora muito mais próximos dos dados de Monte Carlo quântico.
Grandes Moléculas - Grande Importância
Este avanço é particularmente importante para os grandes sistemas moleculares. "Se quisermos descrever moléculas que contenham até cem átomos, o esforço computacional torna-se enorme", diz Alejandro Gallo. "Mesmo os maiores supercomputadores do mundo atingem os seus limites. Para conseguirmos previsões fiáveis, precisamos de métodos de aproximação altamente sofisticados."
E as moléculas grandes estão a tornar-se cada vez mais importantes - em domínios que vão da investigação de materiais ao desenvolvimento farmacêutico. "Se quisermos compreender como é que um medicamento se cristaliza dentro de um comprimido, ou a força com que um material se liga ao hidrogénio para armazenamento de energia, precisamos de modelar com precisão as forças de van der Waals", diz Schäfer.
Da teoria fundamental às aplicações práticas
O novo método permite obter dados de referência mais fiáveis - não só para simulações tradicionais, mas também como dados de treino para modelos de IA. Esses modelos já estão a ser utilizados para conceber novos materiais e produtos farmacêuticos em ambientes virtuais.
"Andreas Grüneis, do Instituto de Física Teórica da TU Wien, afirma: "Estamos a construir uma ponte entre a precisão máxima e a usabilidade prática. "Isto abre novas possibilidades para a ciência dos materiais. Os nossos resultados mostram que mesmo os métodos bem estabelecidos devem ser continuamente reexaminados para acompanhar as crescentes exigências da investigação moderna."
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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