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Hay computadores que no tienen pantalla, que no hacen ruido y que jamás se apagan. Están agrupados en salas refrigeradas, conectados a distancia, y se usan para modelar moléculas invisibles. En ese entorno trabaja la científica Ximena Zárate, cuyo laboratorio no tiene tubos de ensayo pero sí muchas simulaciones digitales. Desde la Universidad Autónoma de Chile, lidera un proyecto que busca modelar sensores químicos que podrían funcionar incluso en el espacio.
Su investigación es financiada por la Air Force Office of Scientific Research de Estados Unidos. Y acá tenemos que entrar en las complejidades de su trabajo. Ximena explora el uso de estructuras metal-orgánicas dopadas —también conocidas como MOFs— para detectar gases tóxicos y metales pesados con precisión luminosa. Es una línea de investigación que se apoya en supercomputadores para entender cómo ciertos materiales pueden brillar o apagarse en presencia de sustancias contaminantes.
Zárate, formada en Colombia y radicada en Chile desde hace más de una década, trabaja con un equipo internacional para predecir cómo se comportan estos sensores a nivel molecular. Lo hace desde un campo altamente especializado: la química teórica-computacional, que, si intentamos entenderla con términos cotidianos, permite entender la materia sin tocarla.
“Mi laboratorio son computadores de alta capacidad que trabajan 24 horas todos los días del año”, dice Ximena, y en ellos simula, con métodos cuánticos, cómo las moléculas responden frente a distintas sustancias.
Su proyecto, desarrollado junto al laboratorio del Dr. Eduardo Schott, de la Pontificia Universidad Católica, se extenderá por tres años y busca proponer nuevos materiales capaces de cambiar su luminiscencia cuando entren en contacto con sustancias como el mercurio, el cobre, el sulfuro de hidrógeno o el dióxido de carbono, por ejemplo. El objetivo final es modelar sensores estables, específicos y funcionales, y que sean útiles en entornos extremos donde detectar un gas, puede marcar la diferencia entre el riesgo y la seguridad.
Esta línea investigación no es solo una promesa futura: también revela la madurez de una disciplina que, desde Chile, ha logrado reconocimiento internacional. Este campo ha sido impulsado por colaboraciones globales, eventos científicos de alto nivel y publicaciones con gran impacto. En esa red, el trabajo de Ximena busca convertir la teoría en una herramienta tangible para enfrentar los desafíos de un mundo cada vez más exigente.
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La vida secreta de los MOFs: cómo funcionan los materiales que emiten luz
Imagina un edificio de estacionamientos, donde cada pilar es una estructura orgánica que se unen entre sí por esquinas metálicas, y en lugar de acumular autos, almacenan moléculas. Así describe Ximena Zárate a los MOFs (Metal-Organic Frameworks), materiales porosos compuestos por metales y ligandos orgánicos que, bajo ciertas condiciones, pueden comportarse como sensores químicos.
“Es como si fueran edificios donde los pilares son moléculas hechas de carbono, hidrógeno, oxígeno, átomos que no son metales, y las esquinitas son cúmulos metálicos”, explica.
Aunque estos son materiales relativamente recientes en la historia de la ciencia, su estructura tridimensional y su capacidad para absorber y reaccionar con otras sustancias les ha otorgado múltiples aplicaciones. Se han usado como catalizadores, filtros moleculares y descontaminantes. Pero lo que atrajo el interés de Zárate fue otra propiedad singular: la luminiscencia. Dependiendo de los átomos que contienen, algunos MOFs son capaces de emitir luz visible al interactuar con ciertos compuestos.
Y esa propiedad es clave para su uso como sensores. En su estado natural, los MOFs dopados —es decir, que son modificados con elementos específicos como lantánidos o “tierras raras”— emiten una luz constante. Pero cuando una molécula externa, como el mercurio o el dióxido de carbono, entra a su estructura, esa luz puede cambiar de color, intensificarse o incluso apagarse por completo. “Cuando están en presencia de otras sustancias que entran a su malla metalorgánica, estas sustancias pueden afectar esta luminiscencia”, dice la investigadora a DESAFÍA.
Este fenómeno ocurre porque las moléculas a detectar alteran el estado energético del sistema, interrumpiendo el proceso mediante el cual los estados electrónicos excitados se relajan emitiendo luz. Comprender exactamente cómo y por qué ocurre esa alteración es el foco del trabajo teórico de Zárate. Para lograrlo, su supercomputadora le permite visualizar las interacciones entre el MOF y los compuestos que desea detectar, un paso esencial para proponer materiales más eficientes y selectivos.
Los sensores que podrían resultar de esta investigación serían capaces de identificar sustancias dañinas incluso en concentraciones mínimas. Eso los hace útiles en escenarios exigentes: desde industrias contaminantes hasta ambientes cerrados como una nave espacial. Es aquí donde la teoría se encuentra con la necesidad, y donde estos materiales comienzan a mostrar todo su potencial.
Modelar lo invisible: así funciona un laboratorio teórico
El laboratorio de Ximena Zárate está compuesto por supercomputadores que funcionan en red, alojados en espacios refrigerados y diseñados para no apagarse nunca (y si eso sucede, a veces es un drama). Allí se instalan softwares especializados que permiten aplicar metodologías de química cuántica y simular con precisión la estructura electrónica de los materiales. “Son solo como las CPU, se clasterizan y funcionan como uno solo, todo el tiempo, 24 horas al día”, cuenta.
El trabajo de Zárate comienza con la representación tridimensional de los MOFs, que son materiales extendidos e infinitos en todas direcciones. Para hacerlos modelables, hay que “cortarlos” en una parte representativa, lo que en química teórica se llama el modelo del sistema.
Así lo explica Ximena: “Es como si yo tuviera un edificio infinito en todas las direcciones, y digo: voy a tomar estos cuatro departamentos y esto me va a reproducir cómo el sistema entero se comporta”. Sobre esa unidad reducida se realizan cálculos rigurosos, que permiten predecir el comportamiento óptico, lumínico y electrónico del material.
Los métodos que usa —como la teoría funcional de la densidad o los enfoques multiconfiguracionales— exigen una enorme capacidad de cálculo. Zárate trabaja en colaboración con otras instituciones en Chile y el extranjero para sumar recursos computacionales, lo que le permite aplicar modelos más estrictos y obtener resultados más fieles a la realidad experimental. “Juntamos fuerza computacional y eso significa que se puedan usar metodologías rigurosas donde los computadores echan humo, por decirlo así”, comenta con humor.
Gracias a estas herramientas, su equipo puede estudiar en detalle el fenómeno de la luminiscencia, identificar patrones de activación o desactivación y proponer nuevos sensores que se comporten de forma más eficiente. Aunque este laboratorio de química teórica esté lejos de lo tangible, su impacto es real: cada simulación acorta la distancia entre la teoría y la aplicación concreta.
Sensores para cuidar la salud en entornos extremos
El proyecto que dirige Ximena Zárate no solo busca avanzar en el conocimiento teórico de los MOFs dopados, sino también ponerlo al servicio de contextos críticos. Uno de ellos es el espacio exterior. Gracias al financiamiento de la Air Force Office of Scientific Research de Estados Unidos, su investigación apunta a crear sensores químicos que puedan funcionar en condiciones extremas y monitorear sustancias nocivas en ambientes cerrados, como los habitáculos de una nave espacial.
“El interés de ellos es porque en el espacio, los astronautas necesitan sensores de manera constante, y para la Fuerza Aérea un aspecto de gran importancia es la salud de los astronautas”, explica. Estos sensores deben ser selectivos, específicos y estables, capaces de identificar gases o metales tóxicos. Dado que los MOFs son porosos, pueden captar esas sustancias y modificar su emisión lumínica en consecuencia.
Para lograr esto, el equipo trabaja con MOFs dopados con tierras raras —lantánidos como el europio o el terbio— o con moléculas orgánicas que también generan una buena respuesta luminosa del sistema. Cuando una molécula contaminante ingresa a esta red porosa, puede encender o apagar su brillo.
A nivel computacional, Zárate busca entender ese mecanismo: “Estudiamos el sistema dopado y luego lo modelamos con el analito, que es esta molécula que queremos detectar y que va a interferir en la luminiscencia del MOF”, dice.
Desde su peculiar laboratorio, Zárate contribuye a una red global de investigadores que buscan soluciones moleculares para problemas complejos. Su trabajo, aunque imperceptible a simple vista, ilumina un campo que se sitúa en la vanguardia de la ciencia aplicada.
En sus palabras: “La química teórica en Chile está a la vanguardia, sí, a nivel mundial”. Su caso es prueba de ello.
