Diseño de productos químicos

Es interesante analizar la tecnología desde un punto de vista estadístico por medio de los datos. Así se puede llegar a la conclusión de que se  tecnología se llega a un punto de equilibrio evolutivo (curva asintótica), y la química también porque es una ley del diseño (en cualquier concreción: diseño de productos químicos). Pero se ha descubierto que los puntos de equilibrio químicos son subóptimos y, por tanto, no es un equilibrio estable, aunque puede ser difícil salir de ahí. Hay técnicos que teorizan que solo se puede salir de un pozo tecnológico con un invento disruptivo o bien, con pequeños cambios tecnológicos. 

Pongamos un ejemplo: para sustituir a los CFCs, los químicos utilizaron el principio de similitud estructural buscando conservar las propiedades fisicoquímicas y sobre todo las propiedades funcionales. Y así salieron al mercado los HCFCs, en los que cambiaba el átomo de cloro (que era el que causaba el problema con el ozono) por uno de hidrógeno. El inconveniente es que manteniendo la similitud de estructura también se conservaban los efectos adversos, es decir, aunque reducido aún conservaban rl potencial de destrucción del ozono. Esto nos muestra que es difícil superar los pozos tecnológicos, porque un producto para que sea viable en el mercado, ha de cumplir una serie de requisitos, en el ejemplo de los CFC: necesitamos que la constante cinética de segundo orden supere un cierto valor umbral que garantice un bajo potencial de destrucción de ozono (ODP), un grado de compresibilidad (acordarse de que su aplicación es como refrigerante) y que sea seguro (es decir, no inflamable, no tóxico, etc.). 

Así, un producto químico que se comercializa ha de cumplir requisitos de toxicología y ecotoxicología, variables relacionadas con la seguridad, variables económicas y variables técnicas o tecnológicas.

En el caso de la economía, las curvas de venta de un producto son logísticas, y se usan las mismas ecuaciones que en los modelos depredador-presa. Para conseguir que la penetración de un producto nuevo en el mercado tiene que haber receptividad del consumidor (es decir, concienciación y una cierta tendencia) y si ya hay productos técnicos similares (hay competitividad) ha de tener un contenido tecnológico mayor.

Cuando se habla de sustituir un producto universalmente utilizado hay que considerar de manera global todas sus funciones y nos sirven los conocimientos de física teórica de redes complejas como Internet y las redes sociales: por medi ode algoritmos y nodos se busca entender las conexiones de los productos químicos con sus funciones.

Erdös y Rényl, matemáticos, desarrollaron una red de conexiones aleatorias, en la que se estudia cada nodo con cuántos se relaciona en promedio (es lo que se conoce como grado de conexión o k). Y se concluye que la función de probabilidad está descrita por una función exponencial decreciente. En el caso de Internet es lo contrario, se describe por una función potencial, y el cambio relativo no depende de la escala. El caso de los productos químicos con sus funciones: siguen leyes potenciales o Power Law o Truncated Power Law. Se deduce que las sustancias más conectadas son las más estables y las más difíciles de sustituir.

El reto de la teorización o predicción del diseño de nuevos productos está en transformar el espacio químico multidimensional en algo visible mediante el análisis de proyección. nos interesa el espacio químico multifuncional, es decir, qué rangos o umbrales definen los dominios funcionales. Así obtenemos un espacio de Boolean: un punto que determina el estado funcional, Ω=2^N, y como ya hemos visto nuestras variables se clasifican en 4 grupos: tenemos un 2⁴ o hipercubo de Boolean. Por tanto, la investigación química se sitúa en hipercubos de Boolean, donde las moléculas van poblando los diferentes estados funcionales o configuraciones.

Se observa que el modelo que sigue la aparición de nuevos productos químicos es del tipo Shark Peak Fitness Landscape porque no hay correlación entre el estado configuracional actual y el óptimo. Hay que tener en cuenta, además, que las variables están conectadas y habría que investigar en su grado de conectividad, para modelizar  las interacciones con funciones de interacción (AND y OR), así que la expresión matemática nos quedaría tal que así: N_f=(2²)^k, donde k es el valor de dependencia o número de interacciones.

Mediante simulación numérica, sabemos que la configuración Shark Peak es una propiedad emergente de un sistema complejo, por lo tanto, existe una configuración óptima. Lo que ocurre es que la optimización química tiene un límite y hay que cambiar algo "externo" a la química: la tecnología. 

¿Conseguiremos una metodología capaz de "guiarnos" en el diseño de productos químicos?

Referencias

Apuntes de las clases de Carles Estévez del IUCT de Aplicaciones industriales del máster interuniversitario de Química Sostenible (las imágenes están sacadas de sus presentaciones de clase).

Este post participa en la IX Edición de Carnaval de Tecnología acogido en Pero eso es otra historia...

también participa en la edición 3.14159265 del Carnaval de Matemáticas, este mes en pimedios-la aventura de las matemáticas

y last but not least,  en la XIX edición del Carnaval de Química  organizado por @scariosHR en el blog de LEET ME Explain