Wie klingen die Elemente?

26. März 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von der American Chemical Society

In der Chemie gibt es He, Fe und Ca – aber was ist mit do, re und mi? Eindringlich schöne Melodien sind nicht das Erste, was einem beim Blick auf das Periodensystem der Elemente in den Sinn kommt. Allerdings hat ein frischgebackener Hochschulabsolvent mithilfe einer Technik namens Datensonifizierung das sichtbare Licht, das von den Elementen abgegeben wird, in Audio umgewandelt und so für jedes einzelne einzigartige, komplexe Klänge erzeugt. Heute berichtet der Forscher über den ersten Schritt zu einem interaktiven, musikalischen Periodensystem.

Der Forscher wird seine Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen. ACS Spring 2023 ist ein Hybridtreffen, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich stattfindet.

Zuvor nutzte W. Walker Smith, der einzige Forscher des Projekts, seine kombinierten Leidenschaften für Musik und Chemie und wandelte die natürlichen Schwingungen von Molekülen in eine musikalische Komposition um. „Dann sah ich visuelle Darstellungen der diskreten Wellenlängen des Lichts, das von Elementen wie Scandium freigesetzt wird“, sagt Smith. „Sie waren wunderschön und komplex, und ich dachte: ‚Wow, ich möchte sie wirklich auch in Musik umwandeln.‘“

Elemente geben sichtbares Licht ab, wenn sie mit Energie versorgt werden. Dieses Licht besteht aus mehreren einzelnen Wellenlängen oder bestimmten Farben mit unterschiedlichen Helligkeitsstufen für jedes Element. Aber auf dem Papier sind die Wellenlängensammlungen für verschiedene Elemente visuell schwer zu unterscheiden, insbesondere für die Übergangsmetalle, die Tausende von Einzelfarben haben können, sagt Smith. Die Umwandlung des Lichts in Schallfrequenzen könnte für Menschen eine weitere Möglichkeit sein, die Unterschiede zwischen Elementen zu erkennen.

Allerdings wurden bereits früher Klänge für die Elemente des Periodensystems erzeugt. Andere Wissenschaftler haben beispielsweise einzelnen Noten, die auf den Tasten eines herkömmlichen Klaviers gespielt werden, die hellsten Wellenlängen zugeordnet. Dieser Ansatz reduzierte jedoch die reiche Vielfalt an Wellenlängen, die von einigen Elementen freigesetzt werden, auf nur wenige Geräusche, erklärt Smith, der derzeit an der Indiana University forscht.

Um möglichst viel Komplexität und Nuancen der Elementspektren beizubehalten, konsultierte Smith Dozenten der Indiana University, darunter David Clemmer, Ph.D., Professor an der Chemieabteilung, und Chi Wang, DMA, Professor an der Indiana University Jacobs School of Music. Mit ihrer Hilfe entwickelte Smith einen Computercode für Echtzeit-Audio, der die Lichtdaten jedes Elements in Notenmischungen umwandelte. Die diskreten Farbwellenlängen wurden zu einzelnen Sinuswellen, deren Frequenz der des Lichts entsprach und deren Amplitude der Helligkeit des Lichts entsprach.

Zu Beginn des Forschungsprozesses diskutierten Clemmer und Smith die Musterähnlichkeiten zwischen Licht- und Schallschwingungen. Beispielsweise hat Violett innerhalb der Farben des sichtbaren Lichts fast die doppelte Frequenz wie Rot, und in der Musik entspricht eine Frequenzverdoppelung einer Oktave. Daher kann man sich sichtbares Licht als eine „Oktave des Lichts“ vorstellen. Aber diese Lichtoktave hat eine viel höhere Frequenz als der hörbare Bereich. Deshalb skalierte Smith die Frequenzen der Sinuswellen um etwa 10–12 herunter und passte die Audioausgabe in einen Bereich an, in dem das menschliche Ohr am empfindlichsten auf Tonhöhenunterschiede reagiert.

Da einige Elemente Hunderte oder Tausende von Frequenzen hatten, ermöglichte der Code die Erzeugung dieser Noten in Echtzeit und bildete beim Mischen Harmonien und Schlagmuster. „Das Ergebnis ist, dass die einfacheren Elemente wie Wasserstoff und Helium vage wie Musikakkorde klingen, der Rest jedoch eine komplexere Klangsammlung aufweist“, sagt Smith. Kalzium klingt zum Beispiel wie Glocken, deren Rhythmus sich aus der Wechselwirkung der Frequenzen untereinander ergibt. Beim Hören der Töne einiger anderer Elemente erinnerte sich Smith an ein gruseliges Hintergrundgeräusch, ähnlich der Musik, die in kitschigen Horrorfilmen verwendet wird. Besonders überrascht war er von dem Element Zink, das trotz seiner großen Farbvielfalt wie „ein Engelschor, der mit Vibrato einen Dur-Akkord singt“, klang.

„Einige der Noten klingen verstimmt, aber Smith ist dem bei dieser Übersetzung der Elemente in Musik treu geblieben“, sagt Clemmer. Diese falschen Töne – musikalisch Mikrotöne genannt – stammen von Frequenzen, die zwischen den Tasten eines traditionellen Klaviers liegen. Wang stimmt zu und sagt: „Die Entscheidungen darüber, was bei der Datensonifizierung unbedingt erhalten werden muss, sind sowohl herausfordernd als auch lohnend. Und Smith hat aus musikalischer Sicht bei solchen Entscheidungen großartige Arbeit geleistet.“

Der nächste Schritt besteht darin, diese Technologie mit einer Ausstellung im WonderLab Museum of Science, Health, and Technology in Bloomington, Indiana, in ein neues Musikinstrument umzuwandeln. „Ich möchte ein interaktives musikalisches Periodensystem in Echtzeit erstellen, das es sowohl Kindern als auch Erwachsenen ermöglicht, ein Element auszuwählen und gleichzeitig eine Anzeige seines sichtbaren Lichtspektrums zu sehen und es zu hören“, sagt Smith. Er fügt hinzu, dass dieser klangbasierte Ansatz potenziellen Wert als alternative Lehrmethode im Chemieunterricht hat, da er Menschen mit Sehbehinderungen und unterschiedlichen Lernstilen einbezieht.

Am Dienstag, 28. März, um 15:00 Uhr, wird Smith während des ACS Spring 2023 Meetings auch „The Sound of Molecules“ aufführen, eine Show, die Audioclips einiger Elemente sowie „Kompositionen“ enthalten wird. von größeren Molekülen.

Mehr Informationen:ACS Frühjahr 2023: Entwurf eines interaktiven musikalischen Periodensystems: Sonifizierung der Emissionsspektren sichtbarer Elemente, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html

Zur Verfügung gestellt von der American Chemical Society