Albert Einstein una volta disse:"Vedo la mia vita in termini di musica." Forse ispirato dalle sue parole, scienziati del Centro per l'autoassemblaggio e la complessità (CSC), all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud) ora vedono reazioni chimiche in presenza di musica. Il team di ricerca IBS ha riferito che il suono udibile può controllare le reazioni chimiche in soluzione fornendo continuamente fonti di energia nell'interfaccia tra l'aria e la soluzione. Le interazioni chimiche aria-liquido controllate dal suono hanno "dipinto" motivi intriganti ed estetici sulla superficie e sulla massa della soluzione.

"Il pifferaio magico di Hamelin racconta la storia mitologica di un pifferaio magico che ha attirato i topi lontano dalla città di Hamelin incantandoli con la musica della sua pipa magica. Con la musica che funziona come combustibile per tale controllo artistico nella chimica, il nostro studio ha dimostrato che anche le molecole sintetiche possono esibire un comportamento simile alla vita:ascoltare e seguire una traccia musicale, "dice il dottor Rahul Dev Mukhopadhyay, il co-primo e corrispondente autore dello studio.

Musica (o suono udibile con una gamma di frequenze da 20 a 20, 000 Hz) trova infatti utili applicazioni in vari campi, come il potenziamento della coltivazione delle piante o dell'allevamento del bestiame e anche per scopi terapeutici. Ultrasuoni (maggiori di 20, 000 Hz) è stato a lungo utilizzato come strumento essenziale nella diagnosi medica. Però, il suono udibile è stato raramente associato a reazioni chimiche a causa della sua bassa energia. Gli studi precedenti si sono generalmente concentrati solo sul suo effetto sul movimento della superficie dell'acqua.

In questo studio, il team di ricerca di IBS è andato oltre. Hanno ipotizzato che le onde d'acqua generate dal suono possano alimentare reazioni chimiche tra aria e liquido. "Infatti, un aspetto di uno studio sui cambiamenti climatici riguarda il modo in cui la CO ₂ la concentrazione nell'oceano cambia a seconda del movimento delle onde oceaniche. Ripensandoci, ha senso che un oceano ondoso sia una condizione più adatta per la CO ₂ essere assorbito nell'oceano di un oceano immobile. Il nostro studio ha rivelato la funzione del suono udibile come fonte per controllare le reazioni chimiche, che accade intorno a noi, ma non è stato notato fino ad ora, " spiega il dottor Hwang Ilha, il co-primo e corrispondente autore dello studio.

Nel loro allestimento sperimentale, l'acqua è stata posta su una capsula di Petri e posizionata sopra un altoparlante. Quando il suono è stato riprodotto attraverso l'altoparlante, sono stati generati diversi modelli di onde di superficie, a seconda della frequenza e dell'ampiezza della sorgente sonora udibile e della geometria della nave. Per vedere come questa interfase vibrante aria-acqua controlla la dissoluzione dei gas atmosferici come l'ossigeno o l'anidride carbonica nell'acqua, i ricercatori hanno usato O ₂ -sensibile al metilviologeno (MV ₂ ⁺ /MV ⁺ ) coppia redox e CO ₂ -indicatore di pH sensibile al blu di bromotimolo (BTB).

La molecola organica metil viologeno è normalmente incolore o bianca, ma diventa blu intenso alla riduzione chimica. Quando una soluzione di colore blu di metilviologeno ridotto in una capsula di Petri è stata esposta all'aria con una riproduzione sonora, alcune regioni della soluzione sono diventate lentamente incolori. Le onde sonore generano oscillazioni del fluido, provocando un effetto streaming, e la soluzione ha subito un netto cambiamento di colore osservabile a causa della graduale dissoluzione dell'ossigeno atmosferico. Coloro che non sono stati interessati dallo streaming hanno mantenuto il loro colore blu. In assenza di suono, la dissoluzione incontrollata dell'ossigeno e le correnti di convezione naturale delle sostanze chimiche in soluzione hanno determinato uno schema casuale, che era diverso ogni volta durante la ripetizione dello stesso esperimento. Però, quando la stessa soluzione è stata esposta a suoni a bassa frequenza inferiori a 90 Hz, sono stati generati modelli molto interessanti ed estetici. Più specificamente, due vortici controrotanti sono emersi in contrasto blu e bianco in presenza di suono a 40 Hz. Lo stesso schema ripetuto nella stessa condizione durante i cicli successivi.

L'esperimento indica la reazione con l'ossigeno, che viene determinato se la soluzione è incolore o blu. In altre parole, applicando il suono a una soluzione, i ricercatori potrebbero controllare le concentrazioni molecolari locali di ossigeno nelle diverse regioni che compongono la stessa soluzione. Proprio come le onde di superficie, i modelli variano in base alla frequenza del suono applicato e alla forma del piatto. I modelli mostravano anche comportamenti di autoguarigione, cioè., recuperano la loro struttura originale del modello dopo essere stati disturbati manualmente.

Questo concetto è stato ulteriormente esteso alla dissoluzione dell'anidride carbonica mediante un indicatore di pH (blu di bromotimolo, BTB). BTB ha una colorazione blu in condizioni basiche (pH superiore a 7,6), colore verde in condizioni neutre (pH da 6,0 a 7,6), e un colore giallo in condizioni acide (pH inferiore a 6,0). La dissoluzione dell'anidride carbonica nell'acqua, assistita dal suono, la rende acida a causa della formazione di acido carbonico. Perciò, quando una soluzione basica di colore blu di BTB è esposta all'anidride carbonica, la soluzione diventa gradualmente verde e alla fine diventa gialla. Durante questo processo, se la soluzione è esposta a suoni udibili, è stato generato un motivo a tre colori con due vortici. interessante, il modello rappresenta la coesistenza di acido, neutro, e domini di base in una soluzione. "Il nostro studio ha visualizzato un ambiente chimico suddiviso in diversi ambienti molecolari senza alcuna barriera fisica, simili a microambienti cellulari. Questa è una nuova scoperta che può sostituire la credenza di buon senso che il pH di una soluzione sia uniforme in tutto il recipiente, " nota il dottor Hwang.

Estendendo il concetto oltre le semplici molecole, i ricercatori hanno utilizzato la loro strategia per programmare l'organizzazione delle molecole organiche all'interno della soluzione. In tutti i casi, i modelli di aggregati organici generati dal suono sono stati ottenuti transitoriamente e mantenuti solo in presenza di una fornitura costante di combustibile chimico, che può essere un agente riducente o una base. Questo tipo di comportamento è generalmente esibito da processi biochimici intracellulari che vengono mantenuti con una fornitura costante di combustibili o valute energetiche, come l'adenosina-5'-trifosfato (ATP) o la guanosina-5'-trifosfato (GTP).

Prof. Kimoon Kim, Direttore del Centro IBS per l'autoassemblaggio e la complessità, che ha supervisionato la ricerca complessiva, aggiunto, "Questo è il primo studio a dimostrare che è possibile controllare e visualizzare le reazioni chimiche utilizzando suoni udibili. Nel prossimo futuro, possiamo espandere ulteriormente l'ambito di utilizzo del suono udibile dalla chimica ad altri campi, come la fisica, meccanica dei fluidi, ingegneria chimica e biologia".