Electron dynamics in complex environments with real-time time dependent density functional theory in a QM-MM framework

This article presents a time dependent density functional theory (TDDFT) implementation to propagate the Kohn-Sham equations in real time, including the effects of a molecular environment through a Quantum-Mechanics Molecular-Mechanics (QM-MM) hamiltonian. The code delivers an all-electron description employing Gaussian basis functions, and incorporates the Amber force-field in the QM-MM treatment. The most expensive parts of the computation, comprising the commutators between the hamiltonian and the density matrix—required to propagate the electron dynamics—, and the evaluation of the exchange-correlation energy, were migrated to the CUDA platform to run on graphics processing units, which remarkably accelerates the performance of the code. The method was validated by reproducing linear-response TDDFT results for the absorption spectra of several molecular species. Two different schemes were tested to propagate the quantum dynamics: (i) a leap-frog Verlet algorithm, and (ii) the Magnus expansion to first-order. These two approaches were confronted, to find that the Magnus scheme is more efficient by a factor of six in small molecules. Interestingly, the presence of iron was found to seriously limitate the length of the integration time step, due to the high frequencies associated with the core-electrons. This highlights the importance of pseudopotentials to alleviate the cost of the propagation of the inner states when heavy nuclei are present. Finally, the methodology was applied to investigate the shifts induced by the chemical environment on the most intense UV absorption bands of two model systems of general relevance: the formamide molecule in water solution, and the carboxy-heme group in Flavohemoglobin. In both cases, shifts of several nanometers are observed, consistently with the available experimental data.Fil: Morzan, Uriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Ramírez, Francisco Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Oviedo, María Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Físico-química de Córdoba. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Instituto de Investigaciones en Físico-química de Córdoba; ArgentinaFil: Sanchez, Cristian Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Físico-química de Córdoba. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Instituto de Investigaciones en Físico-química de Córdoba; ArgentinaFil: Scherlis Perel, Damian Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: González Lebrero, Mariano Camilo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentin

Examining the origins of observed terahertz modes from an optically pumped atomistic model protein in aqueous solution

The microscopic origins of terahertz (THz) vibrational modes in biological systems are an active and open area of current research. Recent experiments [Physical Review X 8, 031061 (2018)] have revealed the presence of a pronounced mode at $\sim$0.3 THz in fluorophore-decorated bovine serum albumin (BSA) protein in aqueous solution under nonequilibrium conditions induced by optical pumping. This result was heuristically interpreted as a collective elastic fluctuation originating from the activation of a low-frequency phonon mode. In this work, we show that the sub-THz spectroscopic response emerges in a statistically significant manner (> 2$\sigma$) from such collective behavior, illustrating how specific THz vibrational modes can be triggered through optical excitations and other charge reorganization processes. We revisit the theoretical analysis with proof-of-concept molecular dynamics that introduce optical excitations into the simulations. Using information theory techniques, we show that these excitations can induce a multiscale response involving the two optically excited chromophores (tryptophans), other amino acids in the protein, ions, and water. Our results motivate new experiments and fully nonequilibrium simulations to probe these phenomena, as well as the refinement of atomistic models of Fr\"ohlich condensates that are fundamentally determined by nonlinear interactions in biology.Comment: 47 pages in total: consisting of 43 of main manuscipt and 4 pages of supporting informatio

Eigenvector Centrality Distribution for Characterization of Protein Allosteric Pathways

Determining the principal energy pathways for allosteric communication in biomolecules, that occur as a result of thermal motion, remains challenging due to the intrinsic complexity of the systems involved. Graph theory provides an approach for making sense of such complexity, where allosteric proteins can be represented as networks of amino acids. In this work, we establish the eigenvector centrality metric in terms of the mutual information, as a mean of elucidating the allosteric mechanism that regulates the enzymatic activity of proteins. Moreover, we propose a strategy to characterize the range of the physical interactions that underlie the allosteric process. In particular, the well known enzyme, imidazol glycerol phosphate synthase (IGPS), is utilized to test the proposed methodology. The eigenvector centrality measurement successfully describes the allosteric pathways of IGPS, and allows to pinpoint key amino acids in terms of their relevance in the momentum transfer process. The resulting insight can be utilized for refining the control of IGPS activity, widening the scope for its engineering. Furthermore, we propose a new centrality metric quantifying the relevance of the surroundings of each residue. In addition, the proposed technique is validated against experimental solution NMR measurements yielding fully consistent results. Overall, the methodologies proposed in the present work constitute a powerful and cost effective strategy to gain insight on the allosteric mechanism of proteins

Determination of cadmium in commercial tobacco by EMFAAS

In this work we present the use of EMFAAS (Electrothermal Metallic Furnace Atomic Absorption Spectroscopy) for the determination of Cd in the tobacco cigarettes of five commercial brands. Optimization of the experimental conditions was done by controlling the sample flow rate and the temperature of both the injection capillary and the atomization cell. The determination was made in the whole cigarettes, filters and ashes of the cigarettes once consumed, cases in which the Cd concentration is much lower and its quantification is more difficult. For the validation of the results, the ICP-OES technique was used, obtaining good agreement within the experimental error. The results show that EMFAAS is a promising tool for the determination of volatile analytes.Fil: Carrone, Guillermo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Morzan, Ezequiel Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Tudino, Mabel Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Etchenique, Roberto Argentino. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Vibronic Dynamics of Photodissociating ICN from Simulations of Ultrafast X-Ray Absorption Spectroscopy

Ultrafast UV-pump/soft-X-ray-probe spectroscopy is a subject of great interest since it can provide detailed information about dynamical photochemical processes with ultrafast resolution and atomic specificity. Here, we focus on the photodissociation of ICN in the 1Π1 excited state, with emphasis on the transient response in the soft-X-ray spectral region as described by the ab initio spectral lineshape averaged over the nuclear wavepacket probability density. We find that the carbon K-edge spectral region reveals a rich transient response that provides direct insights into the dynamics of frontier orbitals during the I−CN bond cleavage process. The simulated UV-pump/soft-X-ray-probe spectra exhibit detailed dynamical information, including a time-domain signature for coherent vibration associated with the photogenerated CN fragment. © 2020 The Authors. Published by Wiley-VCH Gmb

Estudio de prefactibilidad para la instalación de una planta procesadora de carteras de látex de shiringa (Hevea brasiliensis)

El principal objetivo del presente estudio es determinar la viabilidad técnica, económica y de mercado de la instalación de una planta productora de carteras a base de látex de shiringa (Hevea brasiliensis), con lo cual se busca contribuir en el desarrollo económico de la región amazónica y ofrecer una alternativa eco amigable y libre de maltrato animal. El producto estará dirigido a mujeres de Lima metropolitana, con un rango de edad entre 18 a 55 años, pertenecientes al sector socioeconómico A, B o C, y con un estilo orientado al cuidado del medio ambiente y de los animales. La demanda calculada es de 28 488 carteras para el último año del proyecto, las cuales serán distribuidas en cajas de 30 unidades a las tiendas por departamento con un valor de venta de 200 soles por cartera. El lugar elegido para la ubicación de la planta es el departamento de Madre de Dios en la provincia Tambopata. Esta planta contará con 929,71 m2 , tendrá una capacidad instalada de 989 cajas / año y dará trabajo a 26 operarios y 16 trabajadores en el área administrativa La inversión necesaria para este proyecto es de S/ 2 304 477,99, la cual será financiada en un 70% por un préstamo bancario y un 30% por un capital propio. Además, el proyecto es económica y financieramente viable, lo cual se refleja en los indicadores obtenidos. El VANE y VANF son positivos y tienen un valor de S/ 473 320,54 y S/ 711 349,22, respectivamente. Por otro lado, el TIRE y TIRF tienen un valor de 22,31% y 33,12% respectivamente, siendo mayores al costo de oportunidad (16,9%) reflejando la rentabilidad del proyecto.The principal objective of this study is to determine the economic, technical and market viability of the installation of a factory that produces bags made out of shiringa latex (Hevea brasiliensis), which is expected to contribute to the economic development of the Amazon region and to offer an ecofriendly and a cruelty-free option to the market. The product is aimed to women of Lima city between 18 and 55 years old, from the socioeconomic status A, B or C, and with a lifestyle oriented to the environment and animal protection. The demand calculated for the last year is 28 488 bags which will be distributed in boxes of 30 units each to department stores and with a sale price of 200 soles. The factory will be located in the department of Madre de Dios, in the province of Tambopata. Furthermore, this factory will have an area of 929,71 m2 with a production of 989 boxes per year and will employ 26 operators and 16 workers in the administrative area. The project requires an investment of S/ 2 304 477,99, of which 70% will be financed by a bank and the other 30% will be the own capital of the investors. Moreover, the project is economic and financially viable which is shown in the following ratios. The ENPV and FNPV are positive and equivalent to S/ 473 320,54 y S/ 711 349,22, respectively. On the other hand, the EIRR and FIRR are equivalent to 22,31% and 33,12%, respectively, and both over the opportunity cost (16,9%) which shows profitability

A Gentle Introduction to Machine Learning for Chemists: An Undergraduate Workshop Using Python Notebooks for Visualization, Data Processing, Analysis, and Modeling

Machine learning, a subdomain of artificial intelligence, is a widespread technology that is molding how chemists interact with data. Therefore, it is a relevant skill to incorporate into the toolbox of any chemistry student. This work presents a workshop that introduces machine learning for chemistry students based on a set of Python notebooks and assignments. Python, one of the most popular programming languages, is open source, free to use, and has plenty of learning resources. The workshop is designed for students without previous experience in programming, and it aims for a deeper understanding of the complexity of concepts in programming and machine learning. The examples used correspond to real data from physicochemical characterizations of wine, a content that is of interest for students. The contents of the workshop are introduction to Python, basic statistics, data visualization, and dimension reduction, classification, and regression.Fil: Lafuente, Deborah. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Cohen, Brenda. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Fiorini, Guillermo. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Garcia, Agustin Alejo. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Bringas, Mauro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Morzan, Ezequiel Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Onna, Diego Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Diseño e implementación de robot terrestre teleoperado aplicando imágenes térmicas para mitigar incendios en residenciales operado por bomberos Victoria N°08

La presente tesis titulada “Diseño e Implementación de Robot Terrestre Teleoperado aplicando imágenes térmicas para mitigación de fuego operado por bomberos de La Victoria N° 08” está compuesta por un robot terrestre teleoperado el cual es capaz de detectar focos de alta temperatura con la ayuda de la aplicación de imágenes térmicas. La utilización de este robot terrestre teleoperado durante la mitigación del fuego en caso de algún incendio será determinante para lograr resultados rápidamente. Es gracias su diseño robusto, el cual le brinda una mayor estabilidad y precisión, que este robot logra actuar en entornos hostiles. Además, gracias a su sistema de detección de focos de alta temperatura, el robot le muestra al usuario a través de una interfaz amigable, donde es que este debe centrarse para mitigar el fuego eficientemente. La adquisición de dichas imágenes térmicas se llevó a cabo mediante la instalación de una cámara infrarroja en el mismo robot, la cual proveerá de información relevante al usuario, quien es el responsable de controlar el robot. Como resultado de la presente tesis, se implementó de manera exitosa un sistema complejo que une al hardware robusto y pesado con una interfaz amigable para el usuario. Dicho sistema permitirá que los bomberos cuenten con una herramienta más eficiente y poderosa para su labor de día a día.Tesi

¿A qué distancia se encuentra el horizonte?

Este trabajo da a conocer una experiencia didáctica realizada en dos comisiones del Curso Introductorio de Ingreso 2006 a la Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniera y Agrimensura de la Universidad Nacional de Rosario, como trabajo de evaluación-aplicación del Curso de Capacitación Docente: “Taller de selección y producción de problemas de matemática: la construcción de modelos matemáticos en el análisis matemático en una variable”, dictado por los ingenieros Alberto Miyara y Marisa Piraíno, durante el segundo semestre del 2005 en dicha facultad. Las nuevas propuestas educativas contemplan como uno de los aspectos más novedosos e importantes dentro de la enseñanza de la matemática la incorporación de la resolución de problemas. Esto plantea fuertes interrogantes: ¿qué se entiende por problema?, ¿para qué introducir la resolución de problemas?, ¿qué problemas sirven a los fines educativos?, ¿cómo trabajar la resolución de problemas en clases de matemática? Justamente estos interrogantes fueron los tratados en el curso de capacitación docente y motivadores para realizar el presente trabajo, el cual consiste en cómo alumnos ingresantes a la universidad abordan el problema siguiente: “¿A qué distancia se encuentra el horizonte?”. Dicho problema, según las categorizaciones de Mayer, es un problema de transformación, es decir, una secuencia de operaciones en las cuales los datos no son explícitos y requiere en determinado momento de una decisión por parte de los alumnos. Creemos que resolver este tipo de problemas sirven como un puntapié inicial para, de alguna manera, subsanar los requerimientos educativos respecto a la necesidad de incorporar problemas a la enseñanza, donde se observan relativamente pocos avances al respecto

Imágenes de fluorescencia para el monitoreo en línea de sistemas en flujo: Generación y análisis de datos multilineales

Entre las técnicas analíticas tradicionales, la espectroscopia de fluorescencia es quizás la más versátil y sensible para el análisis de una gran variedad de muestras. Las técnicas de fluorescencia en estado estacionario no convencionales, entre ellas, la espectroscopia de excitación-emisión de fluorescencia, se han convertido en poderosas herramientas de análisis para sistemas de múltiples fluoróforos, para experimentos estáticos en cubetas o en configuración en flujo, por ejemplo, acoplados a análisis de inyección en flujo (FIA) o cromatografía de líquidos (LC). En fluorescencia molecular, los espectros de excitación y emisión son particularmente anchos, lo que resulta un inconveniente para los análisis de muestras complejas, siendo la calibración multivariada una excelente alternativa para extraer la información más relevante del sistema, en términos cuantitativos o cualitativos. Para sistemas en flujo o cinéticos, un objetivo muy difícil de lograr es la independencia entre modos instrumentales, debido a que las señales cambian en el tiempo. Si bien la instrumentación moderna permite la adquisición de datos de orden superior, el principal inconveniente se basa en la velocidad de registro de los detectores, que generalmente es menor a la variación de la medida observable. La solución más obvia a este problema es realizar las mediciones de una manera más rápida, incrementando la velocidad de adquisición de las señales analíticas. En este trabajo se presenta un espectrógrafo simple, económico y de rápido registro para la adquisición de matrices de excitación-emisión (EEM) de fluorescencia en sistemas en flujo acoplado a resolución quimiométrica de datos. El espectrógrafo desarrollado se utilizó en la adquisición de datos multidimensionales y los datos generados se evaluaron de manera cuantitativa y cualitativa en términos de capacidad predictiva de un modelo de calibración de segundo orden y trilinealidad de los datos generados. Este último parámetro se evaluó para un arreglo de datos de 3-vias construidos con varias EEM registradas para diferentes muestras (modelo de calibración de segundo orden) y para un dato de tercer orden obtenido por adquisición de EEM a cada tiempo de elución de una corrida cromatográfica. Ambos modelos fueron construidos para mezclas de analitos fluorescentes. Los resultados demostraron que el espectrógrafo desarrollado permite la adquisición de EEM lo suficientemente rápida que permite lograr la obtención de datos perfectamente trilineales tanto para análisis cuantitativo mediante calibración multivariada de segundo orden, como también, en el monitoreo de sistemas en flujo, superando satisfactoriamente el inconveniente de dependencia tiempo-detección. Esta contribución representa una valiosa y poderosa herramienta para la obtención de datos de orden superior sin pérdida de multi-linealidad, significando un gran paso para la quimiometría, la química analítica y otras áreas de investigación esencialmente, en el campo de la fisicoquímica y la biología.Fil: Alcaraz, Mirta Raquel. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Morzan, Ezequiel Martin. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Sorbello, Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Goicoechea, Hector Casimiro. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Etchenique, Roberto Argentino. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaX Congreso Argentino de Química AnalíticaSanta RosaArgentinaUniversidad Nacional de La Pampa. Facultad de Ciencias Exactas y Naturale