La realidad virtual permite la inmersión en el mundo de los átomos y las moléculas

Una iniciativa desarrollada en Brasil puede favorecer el diseño de nanomateriales al combinar simulaciones computacionales de dinámicas atómicas con programas creados para generar escenarios de videojuegos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – “Es una manera distinta de conocer e interactuar con los átomos y las moléculas”, dijo Caetano Rodrigues Miranda, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP), con relación al uso de la realidad virtual en el laboratorio Sampa (Simulaciones Aplicadas a Materiales: Propiedades Atomísticas), con sede en dicha universidad brasileña. 

Al combinar simulaciones atómicas y moleculares usuales en ciencia de materiales con programas informáticos creados originariamente para generar escenarios de videojuegos, este laboratorio brinda una experiencia virtual de inmersión en los ambientes de los átomos y las moléculas. Para ello el usuario dispone de una computadora personal, gafas 3D y dos controladores manuales que le permiten conducir la navegación.

Esta iniciativa cuenta con el apoyo por la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado "Las interfaces en materiales: propiedades electrónicas, magnéticas, estructurales y de transporte", coordinado por el profesor Adalberto Fazzio.

“Las simulaciones permiten tener acceso a las dinámicas de los átomos, las moléculas y otros sistemas a escala nanométrica. En tanto, los programas hacen posible la experiencia virtual de inmersión. En lugar de relacionarse en forma abstracta o de simplemente visualizar esas dinámicas, los usuarios pueden ‘sentirse’ en el ambiente atómico o molecular y ‘participar’ en él”, dijo Rodrigues Miranda.

Como la escala nanométrica no es aquella en la cual la gente opera en la vida cotidiana, se carece de una intuición clara acerca de las diferencias de tamaño de los átomos y las moléculas, o sobre la relación de estos objetos con el ambiente circundante. 

Uno de los objetivos de la utilización de la realidad virtual consiste en despertar esa intuición. Y en un segundo momento, hacer que los usuarios puedan “actuar” en esos sistemas. Y esto puede eventualmente hacer posible distintas aplicaciones.

“Consideremos un nanotubo compuesto por átomos de carbono, por ejemplo. ¿Qué sucede si cambiamos uno de los átomos de carbono por un átomo de nitrógeno? La realidad virtual permite arribar directamente al resultado de ese cambio de átomos y saber que alteraciones provoca el mismo en las propiedades del material. Quedamos como si estuviésemos inmersos en el ambiente”, dijo Rodrigues Miranda. 

Los dos controladores permiten que el usuario, aparte de sentirse inmerso, pueda interactuar con el ambiente virtual. 

“En un experimento reciente, simulamos la interfaz entre la salmuera (una solución acuosa de cloruro de sodio) y el aceite. La persona percibe, ‘inmersa’ virtualmente en esa realidad, los átomos y las moléculas del tamaño de balones de fútbol. Con uno de los controladores puede navegar en ese medio y visualizar las coordinaciones entre los iones de sal y las moléculas de agua, o la interfaz con el aceite propiamente dicha, por ejemplo. El otro controlador suministra la variación temporal, porque esas relaciones se modifican en el transcurso del tempo, de acuerdo con la dinámica atómica y molecular. De este modo es posible no sólo pasear por el medio sino también observar como éste evoluciona”, explicó Rodrigues Miranda.

Otro experimento reciente que el grupo realizó está relacionado con el estudio de sistemas porosos. De acuerdo con los testimonios de las personas que tomaron parte en el mismo, al cabo de algún tiempo de inmersión se sintieron formando parte efectivamente del sistema, transitando por poros de diversos tamaños.

Por ahora, este proyecto es un coadyuvante en la investigación referente a los materiales y su dinámica, y el público al que se dirige está constituido por los propios investigadores. No obstante, y llegado el caso, podrá extendérselo a estudiantes y al público lego para utilizárselo como una herramienta educativa y de divulgación científica. 

“Este proyecto hace posible un cambio de perspectiva. En lugar de observar el material desde afuera, con el filtro de las diferencias de escala, la persona pasa a vivenciar el material por dentro, en su propia escala”, dijo Rodrigues Miranda. 

Los datos que alimentan la realidad virtual se generan mediante métodos considerados tradicionales en Física. Por un lado, la resolución de la ecuación de Schroedinger, que suministra información sobre los átomos y los electrones que componen el material. Por otro, la dinámica molecular, obtenida mediante simulaciones en el transcurso del tiempo. Esto permite que se pueda caracterizar a las propiedades del material en condiciones variables de temperatura o de presión, por ejemplo.

“El paso adelante consiste en poder interferir en esa dinámica alterando los tipos de átomos y modificando las interacciones entre ellos, de manera tal que todo esto pueda visualizarse mientras sucede. Sería como realizar un diseño a escala nanométrica”, dijo Rodrigues Miranda.