化学反应动力学研究方法（化学反应让声音看得见）

化学反应动力学研究方法（化学反应让声音看得见）甲基紫精有机分子通常为无色或者白色，但在化学反应中会变成深蓝色。当皮氏培养皿中甲基紫精蓝色还原溶液接触空气，同时播放声音，溶液的一些区域会慢慢变成无色。声波产生流体振荡，引发流束效应（streaming effect），随着大气中的氧气逐渐溶解于其中，溶液经历了可被观察到的明显色彩变化。而没有被流束效应影响到的区域仍然保持原来的蓝色。在没有声音的情况下，氧气溶解不受控制，与溶液中化学物质自然对流，产生随机图案，且每次重复实验的时候，图案都不相同。然而，当对着同样的溶液播放 90 赫兹以下的低频声音时，就会产生非常有趣、很有美感的图案。具体来说，当声音频率为 40 赫兹时，会出现蓝白相间的两个反向旋转漩涡。在随后的循环实验中，同样的实验条件就会重复产生同样的图案。在他们的实验装置中，水装盛在皮式培养皿中，培养皿置于扬声器顶部。当声音通过扬声器播放出来时，根据可听声源的频率和幅度、以及容器的几

可听声可以通过持续向空气和溶液之间的界面提供能量，影响溶液中的化学反应。

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

来源 Institute for Basic Science

爱因斯坦曾说：“我以音乐看见生活。”也许受到了这句话的启发，隶属于韩国基础科学研究院（Institute for Basic Science，简称 IBS）的自组装和复杂性中心（Center for Self-assembly and Complexity，简称 CSC）的科学家们现在通过音乐的存在来观察化学反应。IBS研究团队先前已报告过，可听声（audible sound）能持续向空气-溶液界面提供能源，从而控制溶液中的化学反应。这种声音控制的气-液化学相互作用在溶液表面和块体上“绘制出”颇具美感的有趣图案。“《花衣吹笛手》（The Pied Piper of Hamelin）讲述了一位花衣吹笛手吹奏魔笛，用音乐声吸引全城的老鼠离开哈默林城的神奇故事。我们的研究使用音乐作为化学反应中的原料，发挥和吹笛手一样的控制作用，结果表明，甚至合成分子都能表现出栩栩如生的行为——聆听音乐，跟着音乐走。”该研究的共同第一作者和共同通讯作者 Rahul Dev Mukhopadhyay 博士讲道。

事实上，音乐（或者人可以听见的频率在 20 到 2 万赫兹范围内的声音）可应用于多个领域，例如，促进植物培育，或者牲畜育种，甚至具有治疗效果。而超声波（频率高于 2 万赫兹）长久以来一直是医疗诊断的重要工具。然而，可听声和化学反应很少被联系到一起，因为可听声能量很低。先前研究常常只关注可听声对水面运动的影响。

在这项研究中，IBS 的研究团队走得更远。他们假设，声音产生的水波可能给空气和液体之间的化学反应供能。“实际上，气候变化研究的一个方向就是海洋中的二氧化碳浓度如何根据海浪运动而变化。回顾过去可以发现，要吸收二氧化碳，波浪起伏的海洋要比波澜不惊的海洋更合适。我们的研究显示，可听声的功能可作为控制化学变化的源头，其实我们身边处处有这种现象，但直到现在都没人注意。”该研究的共同第一作者和共同通讯作者 HWANG Ilha 博士解释道。

在他们的实验装置中，水装盛在皮式培养皿中，培养皿置于扬声器顶部。当声音通过扬声器播放出来时，根据可听声源的频率和幅度、以及容器的几何形状，会产生各种表面波纹图案。为了观察振动的空气-水界面如何控制氧气或二氧化碳等大气气体溶解于水的过程，研究人员使用对氧气敏感的甲基紫精（(MV2 /MV *）氧化还原耦和对二氧化碳敏感的pH指示剂溴百里酚蓝（BTB）。

甲基紫精有机分子通常为无色或者白色，但在化学反应中会变成深蓝色。当皮氏培养皿中甲基紫精蓝色还原溶液接触空气，同时播放声音，溶液的一些区域会慢慢变成无色。声波产生流体振荡，引发流束效应（streaming effect），随着大气中的氧气逐渐溶解于其中，溶液经历了可被观察到的明显色彩变化。而没有被流束效应影响到的区域仍然保持原来的蓝色。在没有声音的情况下，氧气溶解不受控制，与溶液中化学物质自然对流，产生随机图案，且每次重复实验的时候，图案都不相同。然而，当对着同样的溶液播放 90 赫兹以下的低频声音时，就会产生非常有趣、很有美感的图案。具体来说，当声音频率为 40 赫兹时，会出现蓝白相间的两个反向旋转漩涡。在随后的循环实验中，同样的实验条件就会重复产生同样的图案。

实验表明，通过观察溶液是蓝色还是无色，能够判断氧气的反应过程。换言之，给溶液施加声音，研究人员能够控制组成同一溶液不同区域内氧气的局部分子浓度。就好像表面波一样，根据不同的声音频率和培养皿形状（见下图，中间），图案会作出相应变化。而且图案还会自动复原，也就是说，人为干扰之后图案会恢复至原来结构。

图片来源：IBS

这一概念进一步延伸到使用 pH 指示剂（BTB）的二氧化碳溶液中。BTB 在碱性条件下（pH 值大于 7.6）呈蓝色，中性条件下（pH 值在 6.0 到 7.6 之间）呈绿色，而酸性条件下（pH 值小于 6.0）则为黄色。有声音辅助的二氧化碳水溶液会变成酸性溶液，因为里面形成了碳酸。因此，当 BTB 蓝色碱性溶液接触到二氧化碳后，溶液会逐渐变绿，最终变为黄色。在这一过程中，如果溶液接触了可听声，那么就会出现具有两个漩涡的三色图案（见上图，最底层）。有趣的是，图案表明，在同一溶液中同时存在酸性、中性和碱性区域。对此，Hwang 博士写道：“我们的研究实现了化学环境可视化，在没有任何物理障碍的情况下，划分出了不同分子环境，类似于细胞微环境。这一创新发现可能会替换掉我们的一个常识性观念，即溶液 pH 值在容器内各处是均一的。”

研究人员将这一概念延伸到简单分子之外，他们使用自己的策略设计溶液中有机分子的组织。在所有情况下，声音产生的有机聚集图案都短暂存在，只有在化学原料稳定供能的情况下才能维持住，原料可以是还原试剂或者碱性试剂。这种类型的行为通常出现在细胞内生物化学过程中，通过稳定的原料或者能量流功能来维持运作，比如 5'-三磷酸腺苷（ATP）或者 5'-三磷酸鸟苷（GTP）。指导这项研究的 IBS 自组装和复杂性中心主任 Kimoon Kim 教授补充说：“这项研究首次表明，我们能够使用可听声来控制并可视化化学反应。在不久的将来，我们可以进一步扩展可听声的使用范围，从化学领域到其他领域，比如物理学、流体力学、化学工程和生物学。”

原文链接：

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

论文信息

【论文标题】Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems

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

【发表时间】2020 年 8 月 10 日

【发表期刊】Nature Chemistry

【论文编号】doi.org/10.1038/s41557-020-0516-2

【论文链接】https://www.nature.com/articles/s41557-020-0516-2

【论文摘要】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.