Reações químicas são vistas e controladas com som
"Nosso estudo visualizou um ambiente químico que é particionado em diferentes ambientes moleculares sem qualquer barreira física, semelhante a microambientes celulares. Esta é uma nova descoberta que pode substituir a crença do senso comum de que o pH de uma solução é uniforme em todo o recipiente," observou o Dr. Hwang.
[Imagem: Ilha Hwang et al. - 10.1038/s41557-020-0516-2]
Química sônica
Químicos sul-coreanos descobriram que é possível iniciar e controlar reações químicas em uma solução usando som.
Por muito tempo, as reações químicas foram feitas misturando os componentes e submetendo tudo ao calor. Isso começou a mudar com o advento da mecanoquímica, a indução de reações químicas por meio de forças mecânicas, e, no início deste ano, descobriu-se que as reações químicas podem ser controladas com uma mistura de força mecânica e elétrica.
Mas controlar reações químicas com "música", por assim dizer, é uma grande novidade.
"O Flautista de Hamelin conta a história mitológica de um flautista que atraiu ratos para longe da cidade de Hamelin, encantando-os com a música de sua flauta mágica. Com a música funcionando como um combustível para tal controle artístico na química, nosso estudo mostrou que até mesmo as moléculas sintéticas podem exibir um comportamento semelhante ao da vida - ouvir e seguir uma trilha musical," disse o professor Rahul Mukhopadhyay, do Instituto de Ciências Básicas da Coreia do Sul.
A música - mais genericamente, som audível com uma faixa de frequência de 20 a 20.000 Hz -, de fato tem aplicações úteis em vários campos, como estimular o cultivo de plantas ou a criação de gado e até mesmo para fins terapêuticos. O ultrassom (maior que 20.000 Hz) há muito é usado como uma ferramenta essencial no diagnóstico médico.
No entanto, o som audível raramente foi associado a reações químicas devido à sua baixa energia. Experimentos anteriores geralmente se concentraram apenas em seu efeito no movimento da superfície da água, como nos materiais programáveis conhecidos como metafluidos.
"Na verdade, um aspecto das mudanças climáticas diz respeito a como a concentração de CO2 no oceano muda dependendo do movimento das ondas do mar. Em retrospecto, faz sentido que um oceano cheio de ondas seja uma condição mais adequada para o CO2 ser absorvido pelo oceano do que um oceano parado. Nosso estudo revelou a função do som audível como fonte de controle de reações químicas, que ocorrem ao nosso redor, mas que não tinha sido percebida até agora," disse o professor Hwang Ilha, membro da equipe.
A música faz a solução dançar, permitindo visualizar a reação e influenciar o resultado.
Controle de reações químicas com som
Os químicos aproveitaram as ondas geradas pela força mecânica do som para controlar reações químicas entre o ar e o líquido de uma solução.
Em sua configuração experimental, a equipe colocou água em uma placa de Petri, posicionada acima de um alto-falante. Quando o som era reproduzido pelo alto-falante, ele induzia diferentes padrões de ondas na superfície da água, dependendo da frequência e da amplitude do som e da geometria do recipiente. Para ver como essa interfase vibrante ar-água controla a dissolução de gases atmosféricos na água - oxigênio ou dióxido de carbono - os pesquisadores usaram o par redox metil-viologeno sensível ao O2 (MV2+/MV+) e o indicador de pH bromotimol azul sensível ao CO2 (BTB) .
A molécula orgânica metil-viologeno é normalmente incolor ou branca, mas torna-se azul profundo com a redução química. Quando uma solução azulada de metil-viologeno reduzido em uma placa de Petri foi exposta ao ar com o som tocando, algumas regiões da solução lentamente se tornaram incolores. As ondas sonoras geram uma oscilação do fluido, produzindo um efeito de fluxo, e a solução sofreu uma mudança de cor observável distinta devido à dissolução gradual do oxigênio atmosférico - a parte não afetada pelo som manteve sua cor azul.
Na ausência de som, a dissolução descontrolada do oxigênio e as correntes de convecção natural dos produtos químicos em solução resultaram em um padrão aleatório, que era diferente a cada vez ao longo da repetição do mesmo experimento. Porém, quando a mesma solução foi exposta a sons de baixa frequência, abaixo de 90 Hz, o que se viu foram padrões muito interessantes e estéticos. Mais especificamente, dois vórtices contra-rotativos emergiram em um contraste azul e branco na presença de um som de 40 Hz. O mesmo padrão se repetiu na mesma condição durante todos os ciclos subsequentes, contrastando com a aleatoriedade observada na ausência do som.
Resumindo, ao aplicar som a uma solução, os pesquisadores podem controlar as concentrações moleculares locais de oxigênio em diferentes regiões que compõem a mesma solução. Tudo ocorreu da mesma forma quando os experimentos foram refeitos com a dissolução do CO2.
Domínios com diferentes níveis de pH dentro do mesmo recipiente - tudo controlado pelo som.
Estendendo o conceito além das moléculas simples, os pesquisadores utilizaram sua estratégia de "química sônica" para programar a organização de moléculas orgânicas em solução.
Em todos os casos, os padrões de agregados orgânicos gerados pelo som foram obtidos transitoriamente e mantidos apenas na presença de um suprimento constante de combustível químico, que pode ser um agente redutor ou uma base. Este tipo de comportamento é geralmente apresentado por processos bioquímicos intracelulares, que são mantidos com um suprimento constante de combustíveis, como ATP (adenosina trifosfato) ou GTP (guanosina trifosfato).
"Este é o primeiro estudo a mostrar que é possível controlar e visualizar reações químicas por meio de sons audíveis. Em um futuro próximo, poderemos expandir ainda mais o escopo do uso do som audível da química para outros campos, como física, mecânica dos fluidos, engenharia química e biologia," disse o professor Kimoon Kim.
Artigo: Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems
Autores: Ilha Hwang, Rahul Dev Mukhopadhyay, Prabhu Dhasaiyan, Seoyeon Choi, Soo-Young Kim, Young Ho Ko, Kangkyun Baek, Kimoon Kim