化學反應讓聲音看得見｜Nature Chemistry

可聽聲可以通過持續向空氣和溶液之間的界面提供能量，影響溶液中的化學反應。

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https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/239796.php

來源 Institute for Basic Science

愛因斯坦曾說：「我以音樂看見生活。」也許受到了這句話的啟發，隸屬於韓國基礎科學研究院（Institute for Basic Science，簡稱 IBS）的自組裝和複雜性中心（Center for Self-assembly and Complexity，簡稱 CSC）的科學家們現在通過音樂的存在來觀察化學反應。IBS研究團隊先前已報告過，可聽聲（audible sound）能持續向空氣-溶液界面提供能源，從而控制溶液中的化學反應。這種聲音控制的氣-液化學相互作用在溶液表面和塊體上「繪製出」頗具美感的有趣圖案。「《花衣吹笛手》（The Pied Piper of Hamelin）講述了一位花衣吹笛手吹奏魔笛，用音樂聲吸引全城的老鼠離開哈默林城的神奇故事。我們的研究使用音樂作為化學反應中的原料，發揮和吹笛手一樣的控制作用，結果表明，甚至合成分子都能表現出栩栩如生的行為——聆聽音樂，跟著音樂走。」該研究的共同第一作者和共同通訊作者 Rahul Dev Mukhopadhyay 博士講道。

事實上，音樂（或者人可以聽見的頻率在 20 到 2 萬赫茲範圍內的聲音）可應用於多個領域，例如，促進植物培育，或者牲畜育種，甚至具有治療效果。而超聲波（頻率高於 2 萬赫茲）長久以來一直是醫療診斷的重要工具。然而，可聽聲和化學反應很少被聯繫到一起，因為可聽聲能量很低。先前研究常常只關注可聽聲對水面運動的影響。

在這項研究中，IBS 的研究團隊走得更遠。他們假設，聲音產生的水波可能給空氣和液體之間的化學反應供能。「實際上，氣候變化研究的一個方向就是海洋中的二氧化碳濃度如何根據海浪運動而變化。回顧過去可以發現，要吸收二氧化碳，波浪起伏的海洋要比波瀾不驚的海洋更合適。我們的研究顯示，可聽聲的功能可作為控制化學變化的源頭，其實我們身邊處處有這種現象，但直到現在都沒人注意。」該研究的共同第一作者和共同通訊作者 HWANG Ilha 博士解釋道。

在他們的實驗裝置中，水裝盛在皮式培養皿中，培養皿置於揚聲器頂部。當聲音通過揚聲器播放出來時，根據可聽聲源的頻率和幅度、以及容器的幾何形狀，會產生各種表面波紋圖案。為了觀察振動的空氣-水界面如何控制氧氣或二氧化碳等大氣氣體溶解於水的過程，研究人員使用對氧氣敏感的甲基紫精（(MV2+/MV+*）氧化還原耦和對二氧化碳敏感的pH指示劑溴百裡酚藍（BTB）。

甲基紫精有機分子通常為無色或者白色，但在化學反應中會變成深藍色。當皮氏培養皿中甲基紫精藍色還原溶液接觸空氣，同時播放聲音，溶液的一些區域會慢慢變成無色。聲波產生流體振蕩，引發流束效應（streaming effect），隨著大氣中的氧氣逐漸溶解於其中，溶液經歷了可被觀察到的明顯色彩變化。而沒有被流束效應影響到的區域仍然保持原來的藍色。在沒有聲音的情況下，氧氣溶解不受控制，與溶液中化學物質自然對流，產生隨機圖案，且每次重複實驗的時候，圖案都不相同。然而，當對著同樣的溶液播放 90 赫茲以下的低頻聲音時，就會產生非常有趣、很有美感的圖案。具體來說，當聲音頻率為 40 赫茲時，會出現藍白相間的兩個反向旋轉漩渦。在隨後的循環實驗中，同樣的實驗條件就會重複產生同樣的圖案。

實驗表明，通過觀察溶液是藍色還是無色，能夠判斷氧氣的反應過程。換言之，給溶液施加聲音，研究人員能夠控制組成同一溶液不同區域內氧氣的局部分子濃度。就好像表面波一樣，根據不同的聲音頻率和培養皿形狀（見下圖，中間），圖案會作出相應變化。而且圖案還會自動復原，也就是說，人為幹擾之後圖案會恢復至原來結構。

圖片來源：IBS

這一概念進一步延伸到使用 pH 指示劑（BTB）的二氧化碳溶液中。BTB 在鹼性條件下（pH 值大於 7.6）呈藍色，中性條件下（pH 值在 6.0 到 7.6 之間）呈綠色，而酸性條件下（pH 值小於 6.0）則為黃色。有聲音輔助的二氧化碳水溶液會變成酸性溶液，因為裡面形成了碳酸。因此，當 BTB 藍色鹼性溶液接觸到二氧化碳後，溶液會逐漸變綠，最終變為黃色。在這一過程中，如果溶液接觸了可聽聲，那麼就會出現具有兩個漩渦的三色圖案（見上圖，最底層）。有趣的是，圖案表明，在同一溶液中同時存在酸性、中性和鹼性區域。對此，Hwang 博士寫道：「我們的研究實現了化學環境可視化，在沒有任何物理障礙的情況下，劃分出了不同分子環境，類似於細胞微環境。這一創新發現可能會替換掉我們的一個常識性觀念，即溶液 pH 值在容器內各處是均一的。」

研究人員將這一概念延伸到簡單分子之外，他們使用自己的策略設計溶液中有機分子的組織。在所有情況下，聲音產生的有機聚集圖案都短暫存在，只有在化學原料穩定供能的情況下才能維持住，原料可以是還原試劑或者鹼性試劑。這種類型的行為通常出現在細胞內生物化學過程中，通過穩定的原料或者能量流功能來維持運作，比如 5&39;-三磷酸鳥苷（GTP）。指導這項研究的 IBS 自組裝和複雜性中心主任 Kimoon Kim 教授補充說：「這項研究首次表明，我們能夠使用可聽聲來控制並可視化化學反應。在不久的將來，我們可以進一步擴展可聽聲的使用範圍，從化學領域到其他領域，比如物理學、流體力學、化學工程和生物學。」

原文連結：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/ifbs-scr080920.php

論文信息

【論文標題】Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems

【論文作者】Ilha Hwang, Rahul Dev Mukhopadhyay, Prabhu Dhasaiyan, Seoyeon Choi, Soo-Young Kim, Young Ho Ko, Kangkyun Baek & Kimoon Kim

【發表時間】2020 年 8 月 10 日

【發表期刊】Nature Chemistry

【論文編號】doi.org/10.1038/s41557-020-0516-2

【論文連結】https://www.nature.com/articles/s41557-020-0516-2

【論文摘要】Naturally occurring spatiotemporal patterns typically have a predictable pattern design and are reproducible over several cycles. However, the patterns obtained from artificially designed out-of-equilibrium chemical oscillating networks (such as the Belousov–Zhabotinsky reaction for example) are unpredictable and difficult to control spatiotemporally, albeit reproducible over subsequent cycles. Here, we show that it is possible to generate reproducible spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium chemical reactions and self-assembling systems in water in the presence of sound waves, which act as a guiding physical stimulus. Audible sound-induced liquid vibrations control the dissolution of atmospheric gases (such as O2 and CO2) in water to generate spatiotemporal chemical patterns in the bulk of the fluid, segregating the solution into spatiotemporal domains having different redox properties or pH values. It further helps us in the organization of transiently formed supramolecular aggregates in a predictable spatiotemporal manner.