Albert Einstein sa en gång, "Jag ser mitt liv när det gäller musik." Kanske inspirerad av hans ord, forskare vid Center for Self-assembly and Complexity (CSC), inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) ser nu kemiska reaktioner i närvaro av musik. IBS -forskargruppen har rapporterat att hörbart ljud kan styra kemiska reaktioner i lösningen genom att kontinuerligt tillföra energikällor till gränssnittet mellan luft och lösningen. De ljudkontrollerade luft-vätskekemiska interaktionerna 'målade' spännande och estetiska mönster på ytan och huvuddelen av lösningen.

"Hamelin Pied Piper berättar den mytologiska historien om en pied piper som lockade bort råttor från staden Hamelin genom att förtrolla dem med musiken från hans magiska pipa. Med musik som ett bränsle för sådan konstnärlig kontroll inom kemi, vår studie har visat att även syntetiska molekyler kan uppvisa livliknande beteenden-lyssna och följa ett musikaliskt spår, "säger Dr Rahul Dev Mukhopadhyay, den första och motsvarande författaren till studien.

Musik (eller hörbart ljud med ett frekvensområde på 20 till 20, 000 Hz) hittar faktiskt användbara applikationer inom olika områden, som att öka växtodling eller boskapsuppfödning och även för terapeutiska ändamål. Ultraljud (större än 20, 000 Hz) har länge använts som ett viktigt verktyg för medicinsk diagnos. Dock, hörbart ljud har sällan förknippats med kemiska reaktioner på grund av dess låga energi. Tidigare studier har vanligtvis endast fokuserat på dess effekt på rörelsen av vattenytan.

I den här studien, IBS -forskargruppen har gått längre än så. De antog att ljudgenererade vattenvågor kan ge upphov till kemiska reaktioner mellan luft och vätska. "Faktiskt, en aspekt av en klimatförändringsstudie handlar om hur CO ₂ koncentrationen i havet förändras beroende på havsvågornas rörelse. I efterhand, det är vettigt att ett vågigt hav är ett mer lämpligt tillstånd för CO ₂ att absorberas i havet än ett stilla hav. Vår studie har avslöjat funktionen av hörbart ljud som en källa för att kontrollera kemiska reaktioner, som inträffar runt omkring oss, men har inte märkts förrän nu, "förklarar Dr Hwang Ilha, den första och motsvarande författaren till studien.

I deras experimentella upplägg, vattnet placerades på en petriskål och placerades ovanpå en högtalare. När ljud spelades upp genom högtalaren, olika ytvågmönster genererades - beroende på frekvensen och amplituden för den hörbara ljudkällan och fartygets geometri. För att se hur detta vibrerande luft-vatten-gränssnitt styr upplösningen av atmosfäriska gaser som syre eller koldioxid i vatten, forskarna använde O ₂ -känslig metylviologen (MV ₂ ⁺ /MV ⁺ ) redoxpar och CO ₂ -känslig pH -indikator bromotymolblå (BTB).

Organisk molekylmetylviologen är normalt färglös eller vit, men blir djupblå vid kemisk reduktion. När en blåfärgad lösning av reducerad metylviologen i en petriskål utsattes för luft med ljudspel, vissa delar av lösningen blev långsamt färglösa. Ljudvågorna genererar oscillation av vätskan, uppmanar en strömningseffekt, och lösningen genomgick en distinkt observerbar färgförändring på grund av den gradvisa upplösningen av atmosfäriskt syre. De som inte påverkas av strömningen behöll sin blå färg. I avsaknad av ljud, den okontrollerade upplösningen av syre och naturliga konvektionsströmmar av kemikalier i lösningen resulterade i ett slumpmässigt mönster, som var olika varje gång vid upprepningen av samma experiment. Dock, när samma lösning utsattes för lågfrekventa ljud under 90 Hz, mycket intressanta och estetiska mönster genererades. Mer specifikt, två motroterande virvlar uppträdde i blå och vit kontrast i närvaro av 40 Hz ljud. Samma mönster upprepas i samma tillstånd under efterföljande cykler.

Experimentet indikerar reaktionen med syre, som avgör om lösningen är färglös eller blå. Med andra ord, genom att applicera ljud på en lösning, forskarna kunde kontrollera de lokala molekylära koncentrationerna av syre i olika regioner som utgör samma lösning. Precis som ytvågorna, mönstren varierar beroende på frekvensen av det applicerade ljudet samt skålens form. Mönstren uppvisade också självläkande beteende, d.v.s. de återställer sin ursprungliga mönsterstruktur efter att ha störts manuellt.

Detta koncept utvidgades ytterligare till upplösning av koldioxidgas med hjälp av en pH -indikator (bromotymolblått, BTB). BTB har en blå färg under grundförhållanden (pH över 7,6), grön färg i neutrala förhållanden (pH 6,0 till 7,6), och en gul färg under sura förhållanden (pH under 6,0). Ljudassisterad upplösning av koldioxid i vatten gör det surt på grund av bildandet av kolsyra. Därför, när en blåfärgad baslösning av BTB utsätts för koldioxid, lösningen blir gradvis grön och slutligen ändras till gul. Under denna process, om lösningen utsätts för hörbart ljud, ett trefärgat mönster med två virvlar genererades. Intressant, mönstret representerar samexistensen av sur, neutral, och grundläggande domäner i en lösning. "Vår studie visualiserade en kemisk miljö som är uppdelad i olika molekylära miljöer utan någon fysisk barriär, liknar cellulära mikromiljöer. Detta är en ny upptäckt som kan ersätta den sunt förnufts tro att pH -värdet för en lösning är enhetligt i hela kärlet, "konstaterar Dr Hwang.

Utöka konceptet bortom enkla molekyler, forskarna använde sin strategi för att programmera organisationen av organiska molekyler inom lösningen. I samtliga fall, de ljudgenererade organiska aggregatmönstren erhölls övergående och bibehölls endast i närvaro av en stadig tillförsel av kemiskt bränsle, som kan vara antingen ett reduktionsmedel eller en bas. Denna typ av beteende uppvisas i allmänhet av intracellulära biokemiska processer som upprätthålls med en stadig tillgång på bränslen eller energivalutor, såsom adenosin-5'-trifosfat (ATP) eller guanosin-5'-trifosfat (GTP).

Prof. Kimoon Kim, Direktör för IBS Center for Self-assembly and Complexity, som övervakade den övergripande forskningen, Lagt till, "Detta är den första studien som visar att det är möjligt att kontrollera och visualisera kemiska reaktioner med hjälp av hörbart ljud. Inom en snar framtid, vi kan ytterligare utöka användningsområdet för hörbart ljud från kemi till andra områden, som fysik, vätskemekanik, kemiteknik och biologi. "