12.08.2020 - Institute for Basic Science

Chemische Reaktionen mit Musik sehen

Akustischer Ton ermöglicht chemische Färbung und die Koexistenz verschiedener chemischer Reaktionen in einer Lösung

Albert Einstein sagte einmal: "Ich sehe mein Leben in Form von Musik. Vielleicht durch seine Worte inspiriert, sehen Wissenschaftler des Center for Self-Assembly and Complexity (CSC) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS, Südkorea) jetzt chemische Reaktionen in Gegenwart von Musik. Das IBS-Forschungsteam hat berichtet, dass hörbarer Klang chemische Reaktionen in Lösung steuern kann, indem kontinuierlich Energiequellen in die Grenzfläche zwischen Luft und Lösung geleitet werden. Die schallgesteuerten chemischen Luft-Flüssigkeits-Interaktionen "malten" faszinierende und ästhetische Muster auf die Oberfläche und den Großteil der Lösung. "Der Rattenfänger von Hameln erzählt die mythologische Geschichte eines Rattenfängers, der Ratten aus der Stadt Hameln weglockte, indem er sie mit der Musik aus seiner magischen Pfeife verzauberte. Da Musik wie ein Treibstoff für eine solche künstlerische Kontrolle in der Chemie wirkt, hat unsere Studie gezeigt, dass sogar synthetische Moleküle ein lebensechtes Verhalten zeigen können - sie hören und folgen einer musikalischen Spur", sagt Dr. Rahul Dev Mukhopadhyay, der Miterster und -korrespondierender Autor der Studie.

Musik (oder hörbarer Schall mit einem Frequenzbereich von 20 bis 20.000 Hz) findet in der Tat nützliche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, z.B. bei der Förderung des Pflanzenanbaus oder der Viehzucht und sogar zu therapeutischen Zwecken. Ultraschall (mit einem Frequenzbereich von mehr als 20.000 Hz) wird seit langem als wesentliches Hilfsmittel in der medizinischen Diagnose eingesetzt. Aufgrund seiner geringen Energie wurde hörbarer Schall jedoch selten mit chemischen Reaktionen in Verbindung gebracht. Frühere Studien haben sich meist nur auf seine Wirkung auf die Bewegung der Wasseroberfläche konzentriert.

In dieser Studie ist das IBS-Forscherteam noch weiter gegangen. Sie stellten die Hypothese auf, dass schallerzeugte Wasserwellen chemische Reaktionen zwischen Luft und Flüssigkeit anregen können. "Tatsächlich geht es in einer Studie über den Klimawandel unter anderem darum, wie sich die CO2-Konzentration im Ozean in Abhängigkeit von der Bewegung der Meereswellen verändert. Rückblickend macht es Sinn, dass ein wellenförmiger Ozean eine geeignetere Bedingung für die Aufnahme von CO2 im Ozean ist als ein ruhender Ozean. Unsere Studie hat die Funktion des hörbaren Schalls als Quelle für die Steuerung chemischer Reaktionen offenbart, die überall um uns herum stattfinden, aber bisher noch nicht bemerkt wurden", erklärt Dr. HWANG Ilha, der Miterster und -korrespondierender Autor der Studie.

In ihrem Versuchsaufbau wurde das Wasser auf eine Petrischale gegeben und auf einen Lautsprecher gestellt. Beim Abspielen des Schalls durch den Lautsprecher wurden verschiedene Oberflächenwellenmuster erzeugt - abhängig von der Frequenz und der Amplitude der hörbaren Schallquelle und der Geometrie des Gefäßes. Um zu sehen, wie diese vibrierende Luft-Wasser-Zwischenphase die Auflösung von atmosphärischen Gasen wie Sauerstoff oder Kohlendioxid in Wasser steuert, verwendeten die Forscher das O2-empfindliche Methylviologen (MV2+/MV+* ) Redoxpaar und den CO2-empfindlichen pH-Indikator Bromthymolblau (BTB).

Das organische Molekül Methylviologen ist normalerweise farblos oder weiß, färbt sich aber bei chemischer Reduktion tiefblau. Wenn eine blau gefärbte Lösung von reduziertem Methylviologen in einer Petrischale der Luft ausgesetzt wurde und dabei Geräusche spielte, wurden einige Bereiche der Lösung langsam farblos. Die Schallwellen erzeugen eine Oszillation der Flüssigkeit, was einen Strömungseffekt auslöst, und die Lösung erfuhr durch die allmähliche Auflösung des Luftsauerstoffs eine deutliche beobachtbare Farbänderung. Diejenigen, die nicht von der Strömung betroffen waren, behielten ihre blaue Farbe. In Abwesenheit von Schall führten die unkontrollierte Auflösung des Sauerstoffs und die natürliche Konvektionsströmung der Chemikalien in der Lösung zu einem Zufallsmuster, das bei der Wiederholung desselben Experiments jedes Mal anders war. Wenn dieselbe Lösung jedoch niederfrequenten Tönen unter 90 Hz ausgesetzt wurde, entstanden sehr interessante und ästhetische Muster. Genauer gesagt entstanden zwei gegenläufige Wirbel in blau-weißem Kontrast in Gegenwart von 40-Hz-Schall. Dasselbe Muster wiederholte sich in den folgenden Zyklen im gleichen Zustand.

Das Experiment zeigt die Reaktion mit Sauerstoff an, die bestimmt wird, ob die Lösung farblos oder blau ist. Mit anderen Worten, durch die Anwendung von Schall auf eine Lösung konnten die Forscher die lokalen molekularen Sauerstoffkonzentrationen in verschiedenen Regionen kontrollieren, aus denen sich dieselbe Lösung zusammensetzt. Genau wie die Oberflächenwellen variieren die Muster je nach der Frequenz des angelegten Schalls sowie der Form der Schale (Abbildung 1, Mitte). Die Muster zeigten auch ein Selbstheilungsverhalten, d.h. sie stellen ihre ursprüngliche Musterstruktur wieder her, nachdem sie manuell gestört wurden.

Dieses Konzept wurde weiter auf die Auflösung von Kohlendioxidgas mit Hilfe eines pH-Indikators (Bromthymolblau, BTB) ausgedehnt. BTB hat eine blaue Farbe unter basischen Bedingungen (pH-Wert über 7,6), eine grüne Farbe unter neutralen Bedingungen (pH-Wert 6,0 bis 7,6) und eine gelbe Farbe unter sauren Bedingungen (pH-Wert unter 6,0). Durch Schall unterstützte Auflösung von Kohlendioxid in Wasser wird es aufgrund der Bildung von Kohlensäure sauer. Wenn also eine blau gefärbte basische Lösung von BTB Kohlendioxid ausgesetzt wird, färbt sich die Lösung allmählich grün und wird schließlich gelb. Wenn die Lösung während dieses Prozesses hörbarem Schall ausgesetzt wird, wird ein dreifarbiges Muster mit zwei Wirbeln erzeugt (Abbildung 1, unten). Interessanterweise stellt das Muster die Koexistenz von sauren, neutralen und basischen Bereichen in einer Lösung dar. "Unsere Studie visualisierte eine chemische Umgebung, die ohne jede physikalische Barriere in verschiedene molekulare Umgebungen unterteilt ist und zellulären Mikroumgebungen ähnelt. Dies ist eine neuartige Entdeckung, die den gesunden Menschenverstand ersetzen könnte, dass der pH-Wert einer Lösung im gesamten Behälter einheitlich ist", bemerkt Dr. Hwang.

Indem sie das Konzept über einfache Moleküle hinaus erweiterten, nutzten die Forscher ihre Strategie, um die Organisation organischer Moleküle in der Lösung zu programmieren. In allen Fällen wurden die akustisch erzeugten organischen Aggregatmuster nur vorübergehend erhalten und nur in Gegenwart einer ständigen Zufuhr von chemischem Brennstoff, der entweder ein Reduktionsmittel oder eine Base sein kann, aufrechterhalten. Diese Art von Verhalten zeigt sich im Allgemeinen bei intrazellulären biochemischen Prozessen, die bei einer stetigen Zufuhr von Brennstoffen oder Energiewährungen, wie Adenosin-5'-Triphosphat (ATP) oder Guanosin-5'-Triphosphat (GTP), aufrechterhalten werden. Prof. Kimoon Kim, Direktor des IBS Center for Self-Assembly and Complexity, der die Gesamtforschung beaufsichtigte, fügte hinzu: "Dies ist die erste Studie, die zeigt, dass es möglich ist, chemische Reaktionen mit Hilfe von hörbaren Tönen zu kontrollieren und sichtbar zu machen. In naher Zukunft könnten wir den Einsatzbereich des Hörschalls von der Chemie auf andere Gebiete wie Physik, Strömungsmechanik, Chemieingenieurwesen und Biologie ausdehnen".

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