At se kemiske reaktioner med musik

Albert Einstein sagde engang, "Jeg ser mit liv i form af musik." Måske inspireret af hans ord, forskere ved Center for Self-assembly and Complexity (CSC), inden for Institut for Grundvidenskab (IBS, Sydkorea) ser nu kemiske reaktioner i nærvær af musik. IBS forskerteam har rapporteret, at hørbar lyd kan kontrollere kemiske reaktioner i opløsning ved kontinuerligt at tilføre energikilder til grænsefladen mellem luft og opløsning. De lydkontrollerede luft-væske kemiske interaktioner 'malede' spændende og æstetiske mønstre på overfladen og hovedparten af ​​opløsningen.

"The Pied Piper of Hamelin fortæller den mytologiske historie om en pied piper, der lokkede rotter væk fra byen Hamelin ved at fortrylle dem med musikken fra hans magiske pibe. Med musikken, der virker som et brændstof til en sådan kunstnerisk kontrol i kemi, vores undersøgelse har vist, at selv syntetiske molekyler kan udvise naturtro adfærd - at lytte og følge et musikalsk spor, " siger Dr. Rahul Dev Mukhopadhyay, studiets medførste og -korresponderende forfatter.

Musik (eller hørbar lyd med et frekvensområde på 20 til 20, 000 Hz) finder faktisk nyttige anvendelser på forskellige områder, såsom at sætte skub i plantedyrkning eller husdyravl og endda til terapeutiske formål. Ultralyd (større end 20, 000 Hz) har længe været brugt som et vigtigt værktøj i medicinsk diagnose. Imidlertid, hørbar lyd har sjældent været forbundet med kemiske reaktioner på grund af dens lave energi. Tidligere undersøgelser har normalt kun fokuseret på dets effekt på vandoverfladens bevægelse.

I dette studie, IBS forskerteam er gået længere end det. De antog, at lydgenererede vandbølger kan sætte skub i kemiske reaktioner mellem luft og væske. "Faktisk, et aspekt af en klimaændringsundersøgelse handler om, hvordan CO ₂ koncentrationen i havet ændres afhængigt af havets bølger. Set i bakspejlet, det giver mening, at et bølget hav er en mere passende betingelse for CO ₂ at blive optaget i havet end et stille hav. Vores undersøgelse har afsløret hørbar lyds funktion som en kilde til at kontrollere kemiske reaktioner, som opstår overalt omkring os, men er ikke blevet bemærket indtil nu, " forklarer Dr. Hwang Ilha, studiets medførste og -korresponderende forfatter.

I deres eksperimentelle opsætning, vandet blev placeret på en petriskål og placeret oven på en højttaler. Når lyden blev afspillet gennem højttaleren, forskellige overfladebølgemønstre blev genereret - afhængigt af frekvensen og amplituden af ​​den hørbare lydkilde og fartøjets geometri. For at se, hvordan denne vibrerende luft-vand-interfase styrer opløsningen af ​​atmosfæriske gasser som oxygen eller kuldioxid i vand, forskerne brugte O ₂ -følsomt methylviologen (MV ₂ ⁺ /MV ⁺ ) redoxpar og CO ₂ -følsom pH-indikator bromthymolblå (BTB).

Organisk molekyle methylviolen er normalt farveløst eller hvidt, men bliver dybblå ved kemisk reduktion. Når en blåfarvet opløsning af reduceret methylviolen i en petriskål blev udsat for luft under lydafspilning, nogle områder af opløsningen blev langsomt farveløse. Lydbølgerne genererer oscillation af væsken, fremkalder en streamingeffekt, og opløsningen undergik en tydelig observerbar farveændring på grund af den gradvise opløsning af atmosfærisk oxygen. De, der ikke blev påvirket af streamingen, beholdt deres blå farve. I mangel af lyd, den ukontrollerede opløsning af ilt og naturlige konvektionsstrømme af kemikalier i opløsning resulterede i et tilfældigt mønster, som var forskellig hver gang over gentagelsen af ​​det samme eksperiment. Imidlertid, når den samme løsning blev udsat for lavfrekvente lyde under 90 Hz, meget interessante og æstetiske mønstre blev genereret. Mere specifikt, to modsat roterende hvirvler fremkom i blå og hvid kontrast i nærvær af 40 Hz lyd. Det samme mønster gentages i samme tilstand under efterfølgende cyklusser.

Forsøget indikerer reaktionen med oxygen, som bestemmes om opløsningen er farveløs eller blå. Med andre ord, ved at anvende lyd på en løsning, forskerne kunne kontrollere de lokale molekylære koncentrationer af oxygen i forskellige regioner, der udgør den samme opløsning. Ligesom overfladebølgerne, mønstrene varierer alt efter frekvensen af ​​den påførte lyd samt fadets form. Mønstrene udviste også selvhelbredende adfærd, dvs. de genopretter deres oprindelige mønsterstruktur efter at være blevet manuelt forstyrret.

Dette koncept blev yderligere udvidet til opløsning af kuldioxidgas ved hjælp af en pH-indikator (bromthymolblå, BTB). BTB har en blå farve under grundlæggende forhold (pH over 7,6), grøn farve under neutrale forhold (pH 6,0 til 7,6), og en gul farve under sure forhold (pH under 6,0). Lydstøttet opløsning af kuldioxid i vand gør det surt på grund af dannelsen af ​​kulsyre. Derfor, når en blåfarvet basisk opløsning af BTB udsættes for kuldioxid, opløsningen bliver gradvist grøn og skifter til sidst til gul. Under denne proces, hvis opløsningen udsættes for hørbar lyd, et tre-farvet mønster med to hvirvler blev genereret. Interessant nok, mønsteret repræsenterer sameksistensen af ​​sure, neutral, og grundlæggende domæner i en løsning. "Vores undersøgelse visualiserede et kemisk miljø, der er opdelt i forskellige molekylære miljøer uden nogen fysisk barriere, der ligner cellulære mikromiljøer. Dette er en ny opdagelse, der kan erstatte den sunde fornuft, at pH-værdien af ​​en opløsning er ensartet i hele karret, " bemærker Dr. Hwang.

Udvider konceptet ud over simple molekyler, forskerne brugte deres strategi til at programmere organiseringen af ​​organiske molekyler i opløsning. I alle tilfælde, de lydgenererede organiske tilslagsmønstre blev opnået forbigående og kun opretholdt i nærværelse af en konstant forsyning af kemisk brændstof, som enten kan være et reduktionsmiddel eller en base. Denne type adfærd udvises generelt af intracellulære biokemiske processer, som opretholdes med en konstant forsyning af brændstoffer eller energivalutaer, såsom adenosin-5'-triphosphat (ATP) eller guanosin-5'-triphosphat (GTP).

Prof. Kimoon Kim, direktør for IBS Center for Selvsamling og kompleksitet, der overvågede den overordnede forskning, tilføjet, "Dette er den første undersøgelse, der viser, at det er muligt at kontrollere og visualisere kemiske reaktioner ved hjælp af hørbar lyd. I den nærmeste fremtid, vi kan yderligere udvide anvendelsesområdet for hørbar lyd fra kemi til andre områder, såsom fysik, væskemekanik, kemiteknik og biologi."