Materiales como los hidrogeles u otros polímeros reticulados están presentes en la vida cotidiana, desde la cocina hasta sistemas de liberación de fármacos. Para mejorar sus propiedades es fundamental comprender su estructura a escala molecular y cómo se organizan sus cadenas formando redes tridimensionales. Herramientas como el nuevo programa informático SuSi permiten construir estos modelos en el ordenador de manera automática y realista, facilitando simulaciones más precisas y ayudando al diseño de nuevos materiales.
Los polímeros son moléculas muy grandes que forman parte de muchos productos cotidianos, desde plásticos y gomas hasta materiales médicos o sistemas para almacenar energía. Sus propiedades dependen de cómo están organizados sus átomos. Por eso, para comprender y mejorar estos materiales, es clave estudiarlos a nivel microscópico mediante simulaciones por ordenador.
El reto es mayor cuando hablamos de polímeros con estructuras en forma de red, donde las cadenas están unidas entre sí creando sistemas tridimensionales como los hidrogeles. Estas redes aportan resistencia y estabilidad, pero reproducirlas de forma realista en un modelo digital no es sencillo y las herramientas existentes suelen ser limitadas.
Para resolverlo, hemos puesto a punto una nueva versión de SuSi, un programa desarrollado en lenguaje de programación Python por nuestro grupo de investigación, que genera automáticamente cadenas simples y redes más complejas. Primero construye las cadenas básicas y verifica que no haya solapamientos entre átomos. Después, si se desea, añade las conexiones entre cadenas usando un sistema de búsqueda inteligente que explora distintas opciones y elige la más adecuada, evitando choques y estructuras poco realistas.
El resultado es un modelo tridimensional listo para simulaciones posteriores, facilitando el estudio y diseño de nuevos materiales desde el ordenador.
Redes poliméricas tridimensionales con ayuda de búsqueda inteligente
Con el nuevo programa construimos estos materiales virtuales paso a paso, como si fueran piezas que encajan entre sí. Primero generamos cadenas largas uniendo unidades básicas y comprobamos que no choquen con lo que ya está colocado. Si aparece un conflicto, el programa intenta pequeños ajustes hasta encontrar una posición válida o retrocede para probar otra alternativa.
Cuando el sistema es grande y complejo, probar al azar no basta. Aquí se aplica una estrategia de búsqueda inteligente. Antes de añadir una nueva pieza, el programa analiza el espacio disponible y lo divide en pequeñas regiones para saber cuáles están más libres y cuáles más ocupadas.
Mediante un esquema del tipo árbol de decisiones, el sistema evalúa muchas direcciones de crecimiento posibles y asigna una puntuación según lo despejada que esté cada zona. Así selecciona la opción con menos obstáculos, reduciendo errores y correcciones innecesarias. Algo similar ocurre al conectar cadenas para formar la red: el programa orienta la unión hacia el objetivo y reajusta la dirección si encuentra obstáculos.
Gracias a esta combinación de construcción progresiva y búsqueda guiada es posible generar redes complejas de forma automática y realista.
Estudiar distintos tipos de materiales
El programa SuSi se testeó en la construcción y estudio de tres tipos muy distintos de materiales. Primero, un plástico reforzado con pequeñas uniones químicas, comprobando que el modelo reproducía su densidad real con gran precisión. Después, un gel sensible a la temperatura, capaz de encogerse cuando aumenta el calor. En este caso, la simulación mostró el mismo cambio de forma que se observa en el laboratorio. Por último, diseñamos un hidrogel biodegradable más complejo, analizando cómo se mueven el agua y las sales en su interior, y los resultados también coincidieron con datos experimentales.
En todos los casos, las estructuras creadas por el programa sirvieron como punto de partida fiable para las simulaciones. Esto demuestra que la herramienta construye materiales virtuales y ayuda a entender cómo se comportan en el mundo real. Con ello, nuestra investigación da un paso más hacia el diseño a medida de nuevos materiales desde el ordenador.
En la imagen, sistema de Agarosa con “carbon quantum dots” (CQD) que se construyó con la ayuda del programa SuSi. (Autor: David Naranjo)
Referencia:
David Naranjo, Didac Martí, Carlos Alemán, José García-Torres, Juan Torras, Intelligent cross-linking in polymer simulations: SuSi’s approach to complex 3D networks, Computer Physics Communications, 316, 2025,109767, https://doi.org/10.1016/j.cpc.2025.109767
Este proyecto ha recibido financiación de la subvención PID2024-157005OB-I00, del MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y del FEDER “A way of making Europe
Autores del artículo divulgativo:
Juan Torras, David Naranjo, Didac Martí, Carlos Alemán y José García-Torres
Universidad Politécnica de Catalunya
Fuente: Scientias
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