La densidad electrónica es un observable físico con un operador mecánico cuántico bien definido y por lo tanto puede obtenerse experimentalmente. Esta propiedad se ha estudiado desde el punto de vista teórico en una gran cantidad de situaciones mediante el uso de descriptores de estructura y reactividad química definidos a partir de esta propiedad. El estudio de la densidad electrónica también es un área que encuentra gran aplicación como herramienta de interpretación para comprender las propiedades fisicoquímicas de moléculas y sólidos mediante el formalismode la teoría cuántica de átomos en moléculas (TCAEM).[1] Actualmente, las técnicas de difracción de rayos X, mediante experimentos a bajas temperaturas para disminuir las vibraciones cristalinas, permiten obtener densidades electrónicas de una variedad de materiales.[2] El uso de la difracción de rayos X no necesariamente es una práctica común y rutinaria en lo que respecta a extraer la riqueza de información química que la densidad electrónica puede proporcionar. Se requieren experimentos a bajas temperaturas en ambiente de nitrógeno o helio, altas redundancias y mediciones para un intervalo de ángulos de difracción mayor que el necesario para un análisis estructural rutinario. Más que enfocarse a un sólo tipo de sistema químico, en este proyecto se proponen diversos temas teóricos, de modelado molecular y determinaciones experimentales, todos ellos alrededor del estudio de la densidad electrónica. Los temas pueden dividirse en las siguientes tres partes principales no necesariamente excluyentes entre sí. (1) Interacciones intermoleculares en sólidos y moléculas. Comprende el estudio de interacciones en sólidos cristalinos de moléculas aromáticas diversas donde, además del modelado teórico, se realizará la determinación experimental de densidades electrónicas para identificar y cuantificar las interacciones específicas que estabilizan las estructuras cristalinas. También se abordará desde el punto de vista teórico el estudio de la formación de complejos supramoleculares entre azo compuestos selectos, relevantes para la formación de cristales líquidos, usando desde métodos cuánticos hasta simulaciones moleculares en mecánica estadística para los que la correcta descripción de las interacciones intermoleculares es de la mayor importancia. (2) Estados excitados. Incluye el modelado de espectros electrónicos de compuestos aromáticos, la formación de complejos intermoleculares entre bases delácido desoxirribonucleico (ADN) y la dinámica cuántica de procesos fotoquímicos. En el primer caso, se buscará proponer un modelo basado en las propiedades de la densidad electrónica para explicar las tendencias observadas en los espectros de absorción y de fluorescencia de compuestos polibencenoides. En el segundo, se estudiará el prototropismo de los pares de Watson-Crick y el empaquetamiento de bases de ADN en estado excitado (exciplexes), un problema relevante para la mutación de ADN. (3) Campos escalares y vectoriales con relevancia química. Dos componentes importantes en este tema son la aplicación del gradiente de la densidad escalado para el estudio de interacciones intermoleculares y continuar el estudio de las propiedades topológicas de la fuerza de Ehrenfest orientado hacia la definición de estructura molecular y la caracterización de interacciones químicas. Todas estas vertientes constituyen la evolución de la línea de investigación principal de quien suscribe y que ha desarrollado desde hace más de diez años principalmente desde el punto de vista teórico y que a partir del el proyecto vigente incorporó el estudio de sistemas experimentales. Las tareas necesarias para cumplir con los objetivos de esta propuesta descansan en gran medida en los estudiantes de licenciatura y posgrado que forman parte del grupo de investigación Asimismo, se pretende involucrar a un reciente doctor mediante la realización de una estancia posdoctoral. Esta situación muestra la alta orientación del proyecto hacia la formación de recursos humanos. Además, a pesar de la variedad temática, la viabilidad del proyecto se apoya en la colaboración con otros profesores de la UNAM y del extranjero que son expertos en diversos aspectos científicos y técnicos sobre el tema.

Se trata de un proyecto de ciencia básica sobre el estudio de la densidad electrónica de sistemas químicos. Aunque lo caracteriza una fuerte componente teórica y computacional, también incluye una propuesta experimental. En consecuencia, los diversos temas que aborda dejan ver contribuciones de diversas índoles. El punto de partida consiste en que las propiedades de la densidad electrónica y otros campos escalares y vectoriales con sentido físico permiten explicar las propiedades químicas de moléculas y solidos. Bajo esta perspectiva, se plantean temas teóricos poco estudiados y novedosos como el de las densidades electrónicas en estados excitados y el estudio de las fuerzas de Ehrenfest y su relación con otros campos con sentido físico como el gradiente de la densidad reducido. También se proponen aplicaciones con consecuencias en la comprensión de las interacciones intermoleculares en sistemas de interés biológico, en la formación de cristales líquidos y en estados excitados. Asimismo, se considera la descripción de la estructura electrónica en base a densidades electrónicas experimentales las cuales no se estudian en México. La experiencia acumulada en el grupo de trabajo en el estudio de la densidad electrónica y el manejo de los recursos teóricos y experimentales permitirá diseñar estrategias específicas en cada caso. Por ejemplo, el conocimiento de las metodologías teóricas pertinentes en los diversos temas y, aunque incipiente, el aprendizaje que se ha obtenido sobre las condiciones experimentales de cristalización de muestras para la estudios por difracción de rayos X a bajas temperaturas, señalan la viabilidad del proyecto. Finalmente, la formación de recursos humanos con entrenamiento y conocimientos científicos diversos desde el nivel licenciatura hasta el posdoctorado constituye una característica importante del proyecto.