Wie klingen die Elemente?

In der Chemie haben wir He, Fe und Ca – aber was ist mit do, re und mi? Eindringlich schöne Melodien sind nicht das Erste, was einem in den Sinn kommt, wenn man das Periodensystem der Elemente betrachtet. Mit einer Technik namens Data Sonification hat ein frischgebackener Hochschulabsolvent jedoch das sichtbare Licht, das von den Elementen abgegeben wird, in Audio umgewandelt und für jedes einzelne einzigartige, komplexe Klänge erzeugt. Heute berichtet der Forscher über den ersten Schritt hin zu einem interaktiven, musikalischen Periodensystem.

Seine Ergebnisse stellt der Forscher auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Spring 2023 ist ein Hybrid-Meeting, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich abgehalten wird.

Zuvor hatte W. Walker Smith, der einzige Forscher des Projekts, seine kombinierten Leidenschaften für Musik und Chemie genutzt und die natürlichen Schwingungen von Molekülen in eine musikalische Komposition umgewandelt. „Dann sah ich visuelle Darstellungen der diskreten Lichtwellenlängen, die von Elementen wie Scandium freigesetzt werden“, sagt Smith. „Sie waren wunderschön und komplex, und ich dachte: ‚Wow, ich möchte sie wirklich auch in Musik verwandeln.'“

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

Das Erstellen von Klängen für die Elemente des Periodensystems wurde jedoch zuvor durchgeführt. Andere Wissenschaftler haben beispielsweise einzelnen Noten, die von den Tasten eines traditionellen Klaviers gespielt werden, die hellsten Wellenlängen zugeordnet. Aber dieser Ansatz reduzierte die Vielfalt der von einigen Elementen freigesetzten Wellenlängen auf nur wenige Töne, erklärt Smith, der derzeit Forscher an der Indiana University ist.

Um die Komplexität und Nuancen der Elementspektren so weit wie möglich zu erhalten, konsultierte Smith Fakultätsmentoren der Indiana University, darunter David Clemmer, Ph.D., Professor am Fachbereich Chemie, und Chi Wang, DMA, Professor an der Jacobs School of Music. Mit ihrer Hilfe baute 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. Zum Beispiel hat Violett innerhalb der Farben des sichtbaren Lichts fast die doppelte Frequenz von Rot, und in der Musik entspricht eine Frequenzverdopplung einer Oktave. Daher kann sichtbares Licht als eine „Oktave des Lichts“ betrachtet werden. Aber diese Lichtoktave hat eine viel höhere Frequenz als der hörbare Bereich. Also skaliert Smith die Frequenzen der Sinuswellen um etwa 10-12 herunter und passt die Audioausgabe in einen Bereich, in dem menschliche Ohren am empfindlichsten auf Tonhöhenunterschiede reagieren.

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 musikalische Akkorde klingen, aber der Rest eine komplexere Sammlung von Klängen hat“, sagt Smith. Kalzium klingt zum Beispiel wie Glocken, die zusammen läuten, mit einem Rhythmus, der sich aus der Wechselwirkung der Frequenzen ergibt. Das Hören der Noten einiger anderer Elemente erinnerte Smith an ein gruseliges Hintergrundgeräusch, ähnlich der Musik, die in kitschigen Horrorfilmen verwendet wird. Besonders überrascht war er vom Element Zink, das trotz seiner vielen Farben wie „ein Engelschor, der einen Dur-Akkord mit Vibrato singt“ klang.

„Einige der Noten klingen verstimmt, aber Smith hat sich bei dieser Übersetzung der Elemente in Musik daran gehalten“, sagt Clemmer. Diese Tonabweichungen – in der Musik als Mikrotöne bekannt – stammen von Frequenzen, die zwischen den Tasten eines traditionellen Klaviers zu finden sind. 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 großartige Arbeit geleistet, solche Entscheidungen aus musikalischer Sicht zu treffen.“

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 Kindern und Erwachsenen ermöglicht, ein Element auszuwählen und eine Anzeige seines sichtbaren Lichtspektrums zu sehen und es gleichzeitig zu hören“, sagt Smith. Er fügt hinzu, dass dieser klangbasierte Ansatz als alternative Lehrmethode im Chemieunterricht einen potenziellen Wert hat, da er für Menschen mit Sehbehinderungen und unterschiedlichen Lernstilen geeignet ist.

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