Un paisaje energético es un mapeo de los posibles estados de un sistema . El concepto se usa frecuentemente en física , química y bioquímica , por ejemplo, para describir todas las conformaciones posibles de una entidad molecular , o las posiciones espaciales de moléculas que interactúan en un sistema, o parámetros y sus niveles de energía correspondientes, típicamente energía libre de Gibbs . Geométricamente, el panorama energético es el gráfico de la función energética en el espacio de configuración del sistema. El término también se usa de manera más general en perspectivas geométricas para optimización matemática., cuando el dominio de la función de pérdida es el espacio de parámetros de algún sistema.
Aplicaciones
El término es útil cuando se examina el plegamiento de proteínas ; mientras que una proteína puede existir teóricamente en un número casi infinito de conformaciones a lo largo de su paisaje energético, en realidad las proteínas se pliegan (o "relajan") en estructuras secundarias y terciarias que poseen la menor energía libre posible . El concepto clave en el enfoque del paisaje energético para el plegamiento de proteínas es la hipótesis del embudo de plegado .
En catálisis , al diseñar nuevos catalizadores o refinar los existentes, se considera que los paisajes energéticos evitan los intermedios de baja o alta energía que podrían detener la reacción o demandar energía excesiva para llegar a los productos finales. [1]
En los modelos de vidrio , los mínimos locales de un paisaje energético corresponden a estados metaestables de baja temperatura de un sistema termodinámico . [2] [3]
En el aprendizaje automático , las redes neuronales artificiales pueden analizarse utilizando enfoques análogos. [4] Por ejemplo, una red neuronal puede adaptarse perfectamente al conjunto de entrenamiento , correspondiente a un mínimo global de pérdida cero, pero sobreajustando el modelo ("aprender el ruido" o "memorizar el conjunto de entrenamiento"). Comprender cuándo sucede esto se puede estudiar utilizando la geometría del paisaje energético correspondiente. [5]
Definicion formal
Matemáticamente, un paisaje energético es una función continua. asociar cada estado físico con una energía, donde es un espacio topológico .
En el caso continuo, , dónde es el número de grados de libertad del sistema. El gráfico de un paisaje de energía continua es una hipersuperficie en.
Las colinas y valles en el paisaje energético corresponden a máximos y mínimos locales de, respectivamente.
Ejemplo macroscópico
Una bisagra de puerta bien engrasada tiene un grado de libertad, por lo que su panorama energético es una función . Si la bisagra de la puerta no está montada perfectamente, la puerta naturalmente se cerrará, se abrirá o en algún ángulo parcialmente abierto cuando se le permita girar libremente. Estos ángulos corresponden a estados de energía mínima del sistema, o valles en el panorama energético.
Ver también
Referencias
- ^ Chen, Shentan; Ho, Ming-Hsun; Bullock, R. Morris; DuBois, Daniel L .; Dupuis, Michel; Rousseau, Roger; Raugei, Simone (2014). "Computación de paisajes de energía libre: aplicación a electrocatalizadores a base de Ni con aminas colgantes para producción de H2 y oxidación". Catálisis ACS . 4 (1): 229–242. doi : 10.1021 / cs401104w . ISSN 2155-5435 .
- ^ Gales, David J. (2004). Paisajes Energéticos: Aplicaciones a Clusters, Biomoléculas y Vidrios . Cambridge: Cambridge University Press . doi : 10.1017 / CBO9780511721724 . ISBN 978-0-511-72172-4.
- ^ Heuer, Andreas (2005). "Paisajes energéticos. Aplicaciones a clústeres, biomoléculas y vidrios. Por David J. Wales". Angewandte Chemie International Edition . 44 (12): 1756-1757. doi : 10.1002 / anie.200485197 .
- ^ Ballard, Andrew J .; Das, Ritankar; Martiniani, Stefano; Mehta, Dhagash; Sagun, Levent; Stevenson, Jacob D .; Gales, David J. (2017). "Perspectiva: paisajes energéticos para el aprendizaje automático". Phys. Chem. Chem. Phys . 19 (20): 12585. arXiv : 1703.07915 . Código Bibliográfico : 2017PCCP ... 1912585B . doi : 10.1039 / C7CP01108C .
- ^ Anthony Collins Gamst; Walker, Alden (2017). "El paisaje energético de una red neuronal simple". arXiv : 1706.07101 [ stat.ML ].