Albert Einstein zei ooit:"Ik zie mijn leven in termen van muziek." Misschien geïnspireerd door zijn woorden, wetenschappers van het Center for Self-assembly and Complexity (CSC), binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea) zien nu chemische reacties in de aanwezigheid van muziek. Het IBS-onderzoeksteam heeft gemeld dat hoorbaar geluid chemische reacties in oplossing kan beheersen door continu energiebronnen te leveren aan het grensvlak tussen lucht en de oplossing. De geluidgestuurde lucht-vloeistof chemische interacties 'schilderden' intrigerende en esthetische patronen op het oppervlak en het grootste deel van de oplossing.

"De rattenvanger van Hamelen vertelt het mythologische verhaal van een rattenvanger die ratten weglokte uit de stad Hamelen door ze te betoveren met de muziek van zijn magische pijp. Met muziek die werkt als een brandstof voor een dergelijke artistieke controle in de chemie, onze studie heeft aangetoond dat zelfs synthetische moleculen levensecht gedrag kunnen vertonen - luisteren en een muzikaal spoor volgen, " zegt Dr. Rahul Dev Mukhopadhyay, de co-eerste en -corresponderende auteur van de studie.

Muziek (of hoorbaar geluid met een frequentiebereik van 20 tot 20, 000 Hz) vindt in feite nuttige toepassingen op verschillende gebieden, zoals het stimuleren van plantenteelt of veeteelt en zelfs voor therapeutische doeleinden. Echografie (groter dan 20, 000 Hz) wordt al lang gebruikt als een essentieel hulpmiddel bij medische diagnoses. Echter, hoorbaar geluid is zelden in verband gebracht met chemische reacties vanwege de lage energie. Eerdere studies waren meestal alleen gericht op het effect ervan op de beweging van het wateroppervlak.

In dit onderzoek, het IBS-onderzoeksteam is verder gegaan dan dat. Ze veronderstelden dat door geluid gegenereerde watergolven chemische reacties tussen lucht en vloeistof kunnen veroorzaken. "In feite, een aspect van een studie over klimaatverandering gaat over hoe CO ₂ concentratie in de oceaan verandert afhankelijk van de beweging van oceaangolven. Achteraf gezien, logisch dat een golvende oceaan een geschiktere conditie is voor CO ₂ te worden geabsorbeerd in de oceaan dan een stille oceaan. Onze studie heeft de functie van hoorbaar geluid onthuld als een bron voor het beheersen van chemische reacties, die overal om ons heen voorkomt, maar tot nu toe niet opgemerkt, " legt Dr. Hwang Ilha uit, de co-eerste en -corresponderende auteur van de studie.

In hun experimentele opstelling het water werd op een petrischaal geplaatst en bovenop een luidspreker geplaatst. Wanneer geluid werd afgespeeld via de luidspreker, verschillende oppervlaktegolfpatronen werden gegenereerd, afhankelijk van de frequentie en de amplitude van de hoorbare geluidsbron en de geometrie van het vaartuig. Om te zien hoe deze trillende lucht-water-interfase het oplossen van atmosferische gassen zoals zuurstof of koolstofdioxide in water regelt, de onderzoekers gebruikten O ₂ -gevoelige methylviologen (MV ₂ ⁺ /MV ⁺ ) redoxkoppel en CO ₂ -gevoelige pH-indicator broomthymolblauw (BTB).

Organische molecule methylviologen is normaal gesproken kleurloos of wit, maar wordt diepblauw bij chemische reductie. Toen een blauwgekleurde oplossing van gereduceerde methylviologen in een petrischaal werd blootgesteld aan lucht met geluid, sommige delen van de oplossing werden langzaam kleurloos. De geluidsgolven genereren oscillatie van de vloeistof, een streaming-effect teweegbrengen, en de oplossing onderging een duidelijk waarneembare kleurverandering als gevolg van de geleidelijke oplossing van atmosferische zuurstof. Degenen die niet door de streaming werden getroffen, behielden hun blauwe kleur. Bij gebrek aan geluid, het ongecontroleerd oplossen van zuurstof en natuurlijke convectiestromen van chemicaliën in oplossing resulteerden in een willekeurig patroon, die elke keer anders was tijdens de herhaling van hetzelfde experiment. Echter, wanneer dezelfde oplossing werd blootgesteld aan laagfrequente geluiden onder 90 Hz, zeer interessante en esthetische patronen werden gegenereerd. Specifieker, twee tegengesteld draaiende draaikolken ontstonden in blauw en wit contrast in de aanwezigheid van 40 Hz geluid. Hetzelfde patroon herhaalde zich in dezelfde toestand tijdens volgende cycli.

Het experiment geeft de reactie met zuurstof aan, die wordt bepaald of de oplossing kleurloos of blauw is. Met andere woorden, door geluid toe te passen op een oplossing, de onderzoekers konden de lokale moleculaire concentraties van zuurstof regelen in verschillende regio's die dezelfde oplossing vormen. Net als de oppervlaktegolven, de patronen variëren afhankelijk van de frequentie van het toegepaste geluid en de vorm van de schotel. De patronen vertoonden ook zelfgenezend gedrag, d.w.z., ze herstellen hun oorspronkelijke patroonstructuur nadat ze handmatig zijn verstoord.

Dit concept werd verder uitgebreid tot het oplossen van kooldioxidegas met behulp van een pH-indicator (broomthymolblauw, BTB). BTB heeft een blauwe kleur in basisomstandigheden (pH hoger dan 7,6), groene kleur in neutrale omstandigheden (pH 6,0 tot 7,6), en een gele kleur in zure omstandigheden (pH lager dan 6,0). Door geluid ondersteunde oplossing van kooldioxide in water wordt het zuur door de vorming van koolzuur. Daarom, wanneer een blauwgekleurde basische oplossing van BTB wordt blootgesteld aan kooldioxide, de oplossing wordt geleidelijk groen en verandert uiteindelijk in geel. Tijdens dit proces, als de oplossing wordt blootgesteld aan hoorbaar geluid, een driekleurig patroon met twee wervelingen werd gegenereerd. interessant, het patroon vertegenwoordigt het naast elkaar bestaan ​​van zuur, neutrale, en basisdomeinen in een oplossing. "Onze studie visualiseerde een chemische omgeving die is opgedeeld in verschillende moleculaire omgevingen zonder enige fysieke barrière, lijken op cellulaire micro-omgevingen. Dit is een nieuwe ontdekking die de overtuiging van gezond verstand kan vervangen dat de pH van een oplossing in het hele vat uniform is, " merkt dr. Hwang op.

Het concept uitbreiden tot verder dan eenvoudige moleculen, de onderzoekers gebruikten hun strategie om de organisatie van organische moleculen in de oplossing te programmeren. In alle gevallen, de door geluid gegenereerde organische aggregaatpatronen werden tijdelijk verkregen en werden alleen gehandhaafd in aanwezigheid van een constante toevoer van chemische brandstof, die ofwel een reductiemiddel of een base kan zijn. Dit soort gedrag wordt over het algemeen vertoond door intracellulaire biochemische processen die worden onderhouden met een constante toevoer van brandstoffen of energievaluta's, zoals adenosine-5'-trifosfaat (ATP) of guanosine-5'-trifosfaat (GTP).

Prof. Kimoon Kim, Directeur van het IBS Centrum voor Zelfassemblage en Complexiteit, die het algehele onderzoek begeleidde, toegevoegd, "Dit is de eerste studie die aantoont dat het mogelijk is om chemische reacties te controleren en te visualiseren met hoorbaar geluid. In de nabije toekomst zullen we kunnen het toepassingsgebied van hoorbaar geluid verder uitbreiden van de chemie naar andere gebieden, zoals natuurkunde, Vloeistofmechanica, chemische technologie en biologie."