圖片來源：IBS

愛因斯坦曾說：“我以音樂(le) 看見生活。”也許受到了這句話的啟發，隸屬於(yu) 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(men) 現在通過音樂(le) 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-溶液界麵提供能源，從(cong) 而控製溶液中的化學反應。這種聲音控製的氣-液化學相互作用在溶液表麵和塊體(ti) 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(le) 聲吸引全城的老鼠離開哈默林城的神奇故事。我們(men) 的研究使用音樂(le) 作為(wei) 化學反應中的原料，發揮和吹笛手一樣的控製作用，結果表明，甚至合成分子都能表現出栩栩如生的行為(wei) ——聆聽音樂(le) ，跟著音樂(le) 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(le) （或者人可以聽見的頻率在20到20000赫茲(zi) 範圍內(nei) 的聲音）可應用於(yu) 多個(ge) 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(yu) 2萬(wan) 赫茲(zi) ）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係到一起，因為(wei) 可聽聲能量很低。先前研究常常隻關(guan) 注可聽聲對水麵運動的影響。

在這項研究中，IBS的研究團隊走得更遠。他們(men) 假設，聲音產(chan) 生的水波可能給空氣和液體(ti) 之間的化學反應供能。“實際上，氣候變化研究的一個(ge) 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(men) 的研究顯示，可聽聲的功能可作為(wei) 控製化學變化的源頭，其實我們(men) 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(men) 的實驗裝置中，水裝盛在皮式培養(yang) 皿中，培養(yang) 皿置於(yu) 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(hui) 產(chan) 生各種表麵波紋圖案。為(wei) 了觀察振動的空氣-水界麵如何控製氧氣或二氧化碳等大氣氣體(ti) 溶解於(yu) 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指示劑溴百裏酚藍（BTB）。

甲基紫精有機分子通常為(wei) 無色或者白色，但在化學反應中會(hui) 變成深藍色。當皮氏培養(yang) 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(hui) 慢慢變成無色。聲波產(chan) 生流體(ti) 振蕩，引發流束效應（streaming effect），隨著大氣中的氧氣逐漸溶解於(yu) 其中，溶液經曆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，氧氣溶解不受控製，與(yu) 溶液中化學物質自然對流，產(chan) 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(zi) 以下的低頻聲音時，就會(hui) 產(chan) 生非常有趣、很有美感的圖案。具體(ti) 來說，當聲音頻率為(wei) 40赫茲(zi) 時，會(hui) 出現藍白相間的兩(liang) 個(ge) 反向旋轉漩渦。在隨後的循環實驗中，同樣的實驗條件就會(hui) 重複產(chan) 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，研究人員能夠控製組成同一溶液不同區域內(nei) 氧氣的局部分子濃度。就好像表麵波一樣，根據不同的聲音頻率和培養(yang) 皿形狀（見下圖，中間），圖案會(hui) 做出相應變化。而且圖案還會(hui) 自動複原，也就是說，人為(wei) 幹擾之後圖案會(hui) 恢複至原來結構。

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在堿性條件下（pH值大於(yu) 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(yu) 6.0）則為(wei) 黃色。有聲音輔助的二氧化碳水溶液會(hui) 變成酸性溶液，因為(wei) 裏麵形成了碳酸。因此，當BTB藍色堿性溶液接觸到二氧化碳後，溶液會(hui) 逐漸變綠，最終變為(wei) 黃色。在這一過程中，如果溶液接觸了可聽聲，那麽(me) 就會(hui) 出現具有兩(liang) 個(ge) 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、中性和堿性區域。對此，Hwang博士寫(xie) 道：“我們(men) 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(yu) 細胞微環境。這一創新發現可能會(hui) 替換掉我們(men) 的一個(ge) 常識性觀念，即溶液pH值在容器內(nei) 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(men) 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(chan) 生的有機聚集圖案都短暫存在，隻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堿性試劑。這種類型的行為(wei) 通常出現在細胞內(nei) 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'-三磷酸腺苷（ATP）或者5'-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(men) 能夠使用可聽聲來控製並可視化化學反應。在不久的將來，我們(men) 可以進一步擴展可聽聲的使用範圍，從(cong) 化學領域到其他領域，比如物理學、流體(ti) 力學、化學工程和生物學。”

翻譯：阿金

審校：戚譯引

引進來源：韓國基礎科學研究院

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