Dr. Patricia Pérez: La química como base del quehacer científico

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Históricamente, una de las reacciones químicas que mayor interés ha suscitado en el mundo científico, debido a la capacidad sintética, es la reacción de Diels-Alder, en la cual dos fragmentos orgánicos -compuestos formados por carbono e hidrógeno- reaccionan para formar un ciclo de seis miembros. La controversia de cómo se produce esta reacción aún es un problema abierto para quienes realizan ciencia básica.

patricia-perezEn este sentido, la Dra. Patricia Pérez, profesor titular de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, trabaja en la búsqueda de modelos de reactividad química, con el fin de describir la formación y ruptura de enlaces carbono-carbono en reacciones orgánicas. Para esto, utiliza como marco la teoría del funcional de la densidad que, junto a otras herramientas teóricas, permiten conocer la forma en que procede una reacción química desde que las sustancias de partida se encuentran, hasta alcanzar el producto final.

“El estudio se inicia con modelos sencillos que permitan explicar algún comportamiento experimental del sistema real. Si el modelo da cuenta de ese comportamiento experimental, y se anticipa a otros antecedentes experimentales, es validado y puede ser aplicado a sistemas de mayor complejidad”, explica la Dra. Pérez.

La investigación de la académica de la Universidad Andrés Bello tiene como objetivo central el contribuir al desarrollo de la ciencia básica y aumentar el caudal de conocimientos respecto de la naturaleza que nos rodea. De la misma forma, estos aportes pueden ser –posteriormente- el sustento para el avance de la ciencia aplicada y de la tecnología.

Asimismo, la Dra. Patricia Pérez agrega que “una de las contribuciones más importantes de esta investigación ha sido la construcción de escalas de reactividad. Conforme a lo anterior, hemos cuantificado los conceptos de electrofilia y nucleofilia, los cuales hasta los años 60 eran puramente cualitativos. Estas escalas, dentro del área de la química orgánica han contribuido a clasificar los procesos de cicloadición como polares, no polares y zwitteriónicos en una forma cuantitativa”.

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Chemistry as a foundation for scientific endeavors

Historically, the Diels-Alder chemical reaction has been of great interest to the scientific community due to its synthetic capacity. In this reaction, two organic fragments, or compounds formed by carbon and hydrogen, react to form a six-membered cycle. How this reaction is produced remains an open question for those performing fundamental science.

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Regarding this, Dr. Patricia Pérez, Professor for the Faculty of Exact Sciences at the Universidad Andrés Bello, is searching for models of chemical reactivity that could describe the formation and breaking of carbon-carbon bonds in organic reactions.

For this, the theoretical framework of the project is based on the Density Functional Theory that, together with other theoretical tools, will provide insights into the processes of a chemical reaction, from the starting substances until the final product.

“Research begins with simple models that explain some of the experimental behaviorof a real system. If the model conforms to the experimental behavior and anticipates other experimental factors, it is valid and can be used in systems of greater complexity”, explains Dr. Pérez.

The central goals of this research project are to contribute to the development of fundamental science and increase knowledge of the world around us. Likewise, project findings could later be applied to advancements in the applied sciences and technology.

Dr. Patricia Pérez adds that, “one of the most important contributions of this research has been the construction of reactivity scales. Through this, we have quantified electrophilic and nucleophilic concepts that, 60 years ago, were purely qualitative. Within the field of organic chemistry, these scales have contributed to the quantitative classification of cycloaddition processes as polar, non-polar, or zwitterionic”.

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Dr. Eduardo Chamorro: Hacia un modelo de predicción de fenómenos químicos

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El Dr. Eduardo Chamorro, profesor titular e investigador del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, trabaja en un proyecto teórico, el cual tiene como finalidad la obtención de un modelo matemático capaz de predecir fenómenos químicos de distintas naturalezas.

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El académico de la Universidad Andrés Bello explica que “los modelos que se logren construir podrán ser aplicados a cualquier reacción química, por lo que su importancia radica en que prestarán gran utilidad al ser herramientas predictivas que permitirán ahorrar tiempo, recursos y trabajo en investigaciones científicas complejas”.

Como primer paso, el Dr. Chamorro establece que se debe diseñar el sistema que operará como predictor, para luego nutrirlo con información existente sobre reacciones químicas y factores que inciden en ellas. Asimismo, el modelo se prueba simulando reacciones, las cuales son contrastadas con experimentación.

La finalidad de este programa, que posee financiamiento de Conicyt, será conocer las reacciones de sistemas químicos de núcleos y electrones de manera global. Por ejemplo, si se disminuye o aumenta la energía.

Para ello, se dividen las reacciones en tres grandes áreas, las cuales corresponden a reacciones globales, que afectan a todo el sistema; locales, que afectan sólo a una parte del sistema; y no locales, que se producen en un área del sistema que causan un efecto en un sector diferente.

Finalmente, el Dr. Eduardo Chamorro explicó que “la realidad es mucho más compleja que cualquier teoría, por lo que estamos en permanentes pruebas del sistema creado. No obstante, la idea es lograr implementar un software que se pueda distribuir libremente a través de la web y que sirva como apoyo fundamental para aquellos grupos que hacen investigación de frontera”.

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Moving towards a predictive model for chemical phenomena

Dr. Eduardo Chamorro, full professor and researcher of the Chemistry Department of the Faculty of Exact Sciences at the Universidad Andrés Bello, is working on a research project to construct a mathematical model to predict chemical phenomena of different natures.

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The UNAB investigator explains that, “The models that we construct could be applied to any type of chemical reaction, saving time and resources and acting as a valuable tool in complex scientific research”.

As a first step, Dr. Chamorro indicates that a system needs to be designed to operate predictively. Existing information on chemical reactions and influencing factors is then imputed into this system. Following this, the system is then run through test simulations of reactions, and the results are contrasted against experimental data.

The final goal of this model, which is being developed with the support of the National Commission for Technological and Scientific Investigations (Conicyt), is to comprehensively understand reactions within the chemical systems of nuclei and electrons.

This would include, for example, if energy increases or decreases. To achieve this, the reactions are classified into three large categories, where global reactions affect the whole system; local reactions affect only part of the system; and delocalized reactions occur in one area of the system but affect another.

Finally, Dr. Eduardo Chamorro explains that, “Reality is far more complex than any theory, and we are constantly testing the system. Nevertheless, the idea is to implement a freely distributed, web-based software that could receive fundamental feedback from groups working on cutting-edge research”.

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Dr. Cristóbal Rojas: Las matemáticas al servicio de la medicina

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La computación y la simulación numérica son herramientas que día a día se vuelven más útiles e interesantes para el estudio de diversos fenómenos que suceden en el mundo y que no sólo tienen que ver con la matemática, sino que abarcan temas tan diversos como la astrofísica, la economía o el cambio climático.

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En este contexto, el académico del Departamento de Matemáticas de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, Dr. Cristóbal Rojas, trabaja en el desarrollo de un modelo matemático que permita predecir ciertos fenómenos físicos continuos, utilizando la teoría de la computación.

De esta forma, el académico UNAB explica que “por años los investigadores han aplicado la teoría de la computación para analizar modelos matemáticos discretos, es decir, con una cantidad finita de componentes. No obstante, lo que queremos lograr va en sentido contrario. Buscamos extender la teoría de la computación para analizar fenómenos físicos de carácter continuo, es decir, con una infinidad de componentes, y desarrollar así sistemas computacionales capaces de predecir el comportamiento de estos fenómenos de forma más precisa”.

Asimismo, el Dr. Cristóbal Rojas expone que “nuestro estudio apunta a entender hasta dónde podemos predecir la evolución de un sistema físico usando la teoría de la computación. Para esto, debemos comprender cómo afectan los límites impuestos por las leyes de la física en la capacidad de cómputo de un sistema físico en evolución”.

De esta forma, la investigación, que recibe financiamiento a través de un fondo Fondecyt, propone el estudio de casos específicos y generales con el fin de poderaplicar lo conocido a distintas áreas de estudio. Por ejemplo, una de las aristas en las que hoy trabaja el investigador de la Universidad Andrés Bello, es en la posibilidad de emplear estas teorías en modelos utilizados en la medicina para predecir enfermedades.

“Nuestro objetivo es poder transferir estos conocimientos a programas y modelos computacionales que puedan explicar y predecir la ocurrencia de patologías. Por ejemplo, hoy trabajamos con un modelo capaz de emular la eficiencia de los pulmones a lo largo del tiempo, como también la aparición de ciertas anomalías en el desarrollo de la placenta”, destacó el académico UNAB.

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Mathematicians at the service of medicine

Computational and numerical simulations are tools that, day by day, are becoming more useful and interesting for studying diverse phenomena in the world. These tools are not strictly limited to math, but rather encompass diverse areas, including astrophysics, the economy, and climate change.

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In this context, Dr. Cristóbal Rojas, investigator from the Department of Mathematics, Faculty of Exact Sciences at Universidad Andrés Bello, is working on the development of a mathematical model that will predict certain continuous physical phenomena by applying the theory of computation.

This UNAB researcher explains that, “For years, investigators have applied the theory of computation to analyze discrete mathematical models, which is to say, with a finite quantity of components. However, what we want to achieve is just the opposite. We aim to extend the theory of computation to analyzing physical phenomena of a continuous character, with infinite components. We also want these new systems to precisely predict the behavior of these phenomena”.

Likewise, Dr. Rojas states, “A goal of our research is to determine how well we can predict the evolution of a physical system using the theory of computation. For this, we should understand how the limits imposed by the laws of physics will affect the capacity to compute a physical system in evolution”.

This research, funded by a Fondecyt project, proposes studying specific and general cases and to apply the obtained knowledge to distinct areas, such as in medical models for disease prediction.

“Our objective is to transfer this knowledge to computational programs and models that could explain and predict the recurrence of pathologies. For example, today we are working with a model able to emulate lung efficiency over time, as well as with a model concerning the appearance of anomalies during placenta development”, highlights the UNAB investigator.

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