#Химия и звук: в поисках связей

Звуки окружают нас везде. Мы научились передавать их на огромные расстояния, извлекать из всевозможных инструментов и наслаждаться музыкой; даже неслышимый ультразвук мы используем в науке и медицине. Все эти процессы подчиняются законам физики. А что можно рассказать о звуке с точки зрения химии — науки о свойствах и взаимодействии молекул?

#С химией на короткой волне: первые эксперименты

Звуковая волна в миллионы раз длиннее большинства молекул, поэтому она, как правило, не взаимодействует с ними напрямую. Тем не менее, звук высокой частоты влияет на химические реакции в жидкости. Связь между ними изучает ультразвуковая химия или сонохимия.

Впервые воздействием ультразвука на химические процессы заинтересовались американские ученые Роберт Вуд и Альфред Лумис. В 1917 году Вуд участвовал в испытаниях генератора ультразвука, который изобрел французский физик Поль Ланжевен.

Когда генератор включали под водой, в узком луче звуковых волн возникали миллионы крошечных пузырьков; направленный на руку экспериментатора, мощный ультразвук вызывал ощущение «почти непереносимой боли… как будто нагреваются кости».

Спустя 9 лет Вуд и Лумис начали исследовать воздействие ультразвуковых волн на разнообразные объекты. Они наблюдали нагревание, образование взвесей, разрушение бактерий и клеток крови, кристаллизацию и другие химические реакции.

#Новые открытия: от люминесценции до наночастиц

Развитие сонохимии продолжилось в 80-е годы с появлением недорогих и надежных генераторов ультразвука. Обнаружилось, что при прохождении звука высокой частоты через жидкость в ней образуются микроскопические пузырьки. Они существуют лишь миллионную долю секунды, а затем схлопываются со взрывоподобным эффектом.

Температура в точке такого взрыва — около 5000 °C — близка к температуре на поверхности Солнца, а давление — до 1000 атмосфер — немногим меньше, чем на дне Марианской впадины. Чтобы измерить эти значения, ученые используют химические реакции, по скорости протекания которых можно рассчитать температуру. Кроме того, выделение энергии вызывает свечение — так называемую сонолюминесценцию; спектр этого света также служит показателем температуры.

Способность ультразвука многократно увеличивать скорость реакций и разрушать твердые частицы можно использовать в разных целях: стимулировать химический синтез, создавать взвеси наночастиц или разрывать молекулы полимеров, чтобы комбинировать их фрагменты в новом порядке. Многое еще предстоит узнать, однако перспективы ультразвуковой химии не вызывают сомнений.

#Красота по-японски: танцующие молекулы

А что, если создать большую молекулу, которая сможет реагировать на звуковые колебания? Этим вопросом задались японские ученые из университета Кобе в 2014 году. Из антрацена — вещества, содержащегося в каменноугольной смоле — они синтезировали нановолокно и наблюдали за его расположением в растворе при воспроизведении классической музыки.

Наномолекулы оказались восприимчивыми: под звуки Пятой симфонии Бетховена и Симфонии № 40 Моцарта они выстраивались в характерные узоры, меняющиеся в зависимости от ритма, громкости и высоты звука.

Трудно сказать, что доставило химикам-эстетам из Кобе большее удовольствие: открытие молекулы, способной реагировать на звук в диапазоне слышимости, или возможность объединить равно любимые ими музыку и химию.

#Из чего сделана ваша скрипка? От квасцов к полимерам

Интересует ученых и обратное: насколько музыка зависит от химии? В последнее десятилетие исследователи изучали химический состав струнных инструментов, сравнивая современные скрипки и виолончели с шедеврами Страдивари и Гварнери.

Результат оказался любопытным: в старинном дереве нашли сульфат бария, фторид кальция и силикат циркония, отсутствующие в современных аналогах. Ученые из Техасского университета A&M предположили, что итальянские мастера вымачивали или даже вываривали древесину в растворе минеральных солей — кальцита, кварца, гипса, алюминиевых квасцов — по рецепту, упоминавшемуся еще Парацельсом.

Их выводы подтверждают и тайваньские коллеги, полагающие, что пропитка минеральными солями могла использоваться для повышения сохранности инструментов. К сожалению, точный состав смеси определить нельзя: слишком велико влияние естественного старения древесины.

Тем временем, современные мастера экспериментируют с веществами, неизвестными их предшественникам. Одно из последних новшеств — инструменты из углеродного волокна, более легкого и прочного, чем древесина. С ним сложно работать, поскольку после застывания композитный материал уже нельзя обтесать или подпилить, но акустические характеристики готовых изделий не уступают традиционным аналогам.

Различаются по составу и духовые инструменты: их делают из различных сплавов и драгоценных металлов. Однако австрийское исследование 1980 года показало, что звучание главным образом зависит от музыканта: в руках опытного исполнителя дешевая флейта из никелевого сплава, покрытого серебром, и дорогая, из чистого золота или платины, звучат практически одинаково.

#Сыграйте мне волокно: музыканты помогают биохимикам

Если химики могут многое рассказать о музыке, может ли музыкант рассказать о химии? Как оказалось, может. Американские ученые Маркус Бюхлер, Дэвид Каплан и Джойс Уонг работали над воссозданием структуры паутины. В ее состав входят два типа белковых фрагментов: один обеспечивает жесткость, второй — связь волокон между собой. Если правильно соблюсти пропорции, полученная нить прочностью не уступает стали.

Вот только дело это оказалось совсем не простое: раз за разом компьютерное моделирование не справлялось с задачей. Нити получались или прочные, но не слипающиеся друг с другом — либо формирующие связи, но недостаточно жесткие.

Помогла — внезапно — все та же музыка. С помощью математика Дэвида Спивака и композитора Джона Макдональда структуру волокон описали в виде музыкальных композиций.

Оказалось, что крепкие, но бесполезные молекулы соответствовали агрессивным, отрывистым и резким мелодиям, тогда как переплетающиеся нити, создающие паутину, «звучат» более плавно. Ученые надеются применить этот метод в разработке других биоматериалов.

Мы живем в эпоху объединения разных, подчас неожиданных областей в науке и искусстве. Явления, казавшиеся несочетаемыми — звук и химический синтез, Моцарт и наномолекулы — могут оказаться связанными между собой гораздо теснее, чем можно было вообразить.

Текст: Геннадий Кац