Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems

Ilha Hwang,* Rahul Dev Mukhopadhyay,* Prabhu Dhasaiyan, Seoyeon Choi, Soo-Young Kim, Young Ho Ko, Kangkyun Baek & Kimoon Kim*

 

자연적으로 발생하는 시공간 패턴은 일반적으로 예측 가능한 패턴 디자인을 가지며 여러 주기에 걸쳐 재현이 가능하다. 그러나 인위적으로 설계된 평형에서 벗어나 순환반복 되는 화학반응 네트워크(예: 벨루소프-자보틴스키 반응)에서 얻는 패턴은 반복 재현 가능하지만 그 결과를 예측할 수 없고 시공간적으로 제어하기 매우 어렵다. 이 논문에서 우리는 평형에서 벗어난 화학 반응과 소리를 이용하여 재현 가능한 시공간 패턴을 생성하고, 나아가 자기조립 시스템의 형성을 시공간적으로 조절할 수 있음을 보여주었다. 이를 위하여 연구진은 저주파의 소리로 액체를 상하로 진동시켜 산소나 이산화탄소가 물에 용해되는 정도를 제어할 수 있음을 보였고, 이 과정에서 용액을 서로 다른 산화환원 특성 또는 pH 값을 갖는 시공간 영역으로 분리할 수 있음을 보였다. 실험 결과는 화합물의 색깔 패턴으로 시각화하여 쉽게 확인할 수 있었으며, 이러한 방법을 이용하면 화학반응에 의하여 생성되는 초분자 집합체의 형성과 시공간적인 배치를 조절할 수 있음을 보였다.
이 연구 결과는 Nature Chemistry에 게재되었으며, ACS의 Chemical & Engineering News, RSC의 Chemistry World, AAAS의 EurekAlert! 등에 소개되었고, 국내에서도 KBS 뉴스를 비롯한 다수의 언론에 소개되었다.

 

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 (e.g. Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction), 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 (e.g. O2, 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.

 

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0516-2