12.08.2020 - Institute for Basic Science

Ver las reacciones químicas con la música

El sonido audible permite la coloración química y la coexistencia de diferentes reacciones químicas en una solución

Albert Einstein dijo una vez: "Veo mi vida en términos de música". Tal vez inspirados por sus palabras, los científicos del Centro para el Autoensamblaje y la Complejidad (CSC), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) ahora ven reacciones químicas en presencia de la música. El equipo de investigación del IBS ha informado que el sonido audible puede controlar las reacciones químicas en la solución mediante el suministro continuo de fuentes de energía en la interfaz entre el aire y la solución. Las interacciones químicas aire-líquido controladas por el sonido "pintaron" patrones intrigantes y estéticos en la superficie y el volumen de la solución. "El Flautista de Hamelin cuenta la historia mitológica de un flautista de Hamelin que atrajo a las ratas lejos de la ciudad de Hamelin hechizándolas con la música de su pipa mágica. Con la música funcionando como combustible para tal control artístico en química, nuestro estudio ha demostrado que incluso las moléculas sintéticas pueden exhibir un comportamiento similar al de la vida - escuchando y siguiendo una pista musical", dice el Dr. Rahul Dev Mukhopadhyay, el co-primer y -correspondiente autor del estudio.

La música (o el sonido audible con un rango de frecuencia de 20 a 20.000 Hz) encuentra de hecho aplicaciones útiles en diversos campos, como el fomento del cultivo de plantas o la cría de ganado e incluso con fines terapéuticos. El ultrasonido (más de 20.000 Hz) se ha utilizado durante mucho tiempo como una herramienta esencial en el diagnóstico médico. Sin embargo, el sonido audible rara vez se ha asociado a reacciones químicas debido a su baja energía. Los estudios anteriores se han centrado por lo general sólo en su efecto sobre el movimiento de la superficie del agua.

En este estudio, el equipo de investigación del SII ha ido más allá. Han formulado la hipótesis de que las ondas de agua generadas por el sonido pueden alimentar reacciones químicas entre el aire y el líquido. "De hecho, un aspecto de un estudio sobre el cambio climático es acerca de cómo la concentración de CO2 en el océano cambia dependiendo del movimiento de las olas del océano. En retrospectiva, tiene sentido que un océano ondulado es una condición más adecuada para que el CO2 sea absorbido en el océano que un océano quieto. Nuestro estudio ha revelado la función del sonido audible como fuente de control de las reacciones químicas que se producen a nuestro alrededor, pero que no se había notado hasta ahora", explica el Dr. HWANG Ilha, el co-primer y -correspondiente autor del estudio.

En su montaje experimental, el agua se colocó en una placa de Petri y se colocó encima de un altavoz. Cuando el sonido se reproducía a través del altavoz, se generaban diferentes patrones de ondas superficiales, dependiendo de la frecuencia y la amplitud de la fuente de sonido audible y de la geometría de la nave. Para ver cómo esta interfase vibratoria aire-agua controla la disolución de los gases atmosféricos como el oxígeno o el dióxido de carbono en el agua, los investigadores utilizaron el viologo de metilo sensible al O2 (MV2+/MV+* ) par redox y el azul de bromotimol (BTB) indicador de pH sensible al CO2.

La molécula orgánica viologo de metilo es normalmente incolora o blanca, pero se vuelve azul profundo al reducirse químicamente. Cuando una solución de color azul de viologo de metilo reducido en una placa de Petri fue expuesta al aire con el sonido tocando, algunas regiones de la solución se volvieron lentamente incoloras. Las ondas sonoras generan una oscilación del fluido, provocando un efecto de flujo, y la solución sufrió un claro cambio de color observable debido a la disolución gradual del oxígeno atmosférico. Los que no se vieron afectados por el flujo conservaron su color azul. En ausencia de sonido, la disolución incontrolada del oxígeno y las corrientes de convección naturales de los productos químicos en la solución dieron lugar a un patrón aleatorio, que fue diferente cada vez durante la repetición del mismo experimento. Sin embargo, cuando la misma solución se exponía a sonidos de baja frecuencia por debajo de 90 Hz, se generaban patrones muy interesantes y estéticos. Más específicamente, dos vórtices contra-rotativos emergieron en contraste azul y blanco en presencia de un sonido de 40 Hz. El mismo patrón se repitió en la misma condición durante los ciclos subsiguientes.

El experimento indica la reacción con el oxígeno, que se determina si la solución es incolora o azul. En otras palabras, aplicando el sonido a una solución, los investigadores podrían controlar las concentraciones moleculares locales de oxígeno en diferentes regiones que componen la misma solución. Al igual que las ondas superficiales, los patrones varían según la frecuencia del sonido aplicado, así como la forma del plato (Figura 1, Medio). Los patrones también exhiben un comportamiento autocurativo, es decir, recuperan su estructura de patrón original después de ser perturbados manualmente.

Este concepto se amplió aún más a la disolución de gas de dióxido de carbono utilizando un indicador de pH (azul de bromotimol, BTB). El BTB tiene un color azul en condiciones básicas (pH superior a 7,6), un color verde en condiciones neutras (pH 6,0 a 7,6) y un color amarillo en condiciones ácidas (pH inferior a 6,0). La disolución asistida por el sonido del dióxido de carbono en el agua lo vuelve ácido debido a la formación de ácido carbónico. Por lo tanto, cuando una solución básica de color azul de BTB se expone al dióxido de carbono, la solución se vuelve gradualmente verde y eventualmente cambia a amarillo. Durante este proceso, si la solución se expone a un sonido audible, se genera un patrón de tres colores con dos vórtices (Figura 1, abajo). Curiosamente, el patrón representa la coexistencia de los dominios ácido, neutro y básico en una solución. "Nuestro estudio visualizó un ambiente químico que está dividido en diferentes ambientes moleculares sin ninguna barrera física, parecido a los microambientes celulares. Este es un descubrimiento novedoso que puede reemplazar la creencia de sentido común de que el pH de una solución es uniforme en todo el recipiente", señala el Dr. Hwang.

Extendiendo el concepto más allá de las moléculas simples, los investigadores utilizaron su estrategia para programar la organización de las moléculas orgánicas dentro de la solución. En todos los casos, los patrones de agregados orgánicos generados por el sonido se obtuvieron de forma transitoria y se mantuvieron sólo en presencia de un suministro constante de combustible químico, que puede ser un agente reductor o una base. Este tipo de comportamiento se exhibe generalmente en los procesos bioquímicos intracelulares que se mantienen con un suministro constante de combustibles o divisas energéticas, como el adenosín-5'-trifosfato (ATP) o el guanosín-5'-trifosfato (GTP). El Prof. Kimoon Kim, Director del Centro de Autoensamblado y Complejidad del SII, que supervisó la investigación general, añadió: "Este es el primer estudio que demuestra que es posible controlar y visualizar las reacciones químicas mediante un sonido audible. En un futuro cercano, podemos expandir aún más el alcance del uso del sonido audible de la química a otros campos, como la física, la mecánica de fluidos, la ingeniería química y la biología".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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