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Nov 09, 2023

Física

Al comienzo de su mandato como profesora de física en Skidmore College, Nueva York, Jill

Al principio de su mandato como instructora de física en Skidmore College, Nueva York, Jill Linz quería fusionar su formación en música clásica con su vida científica profesional. Encontró un lugar para este cruce de disciplinas en un proyecto que mapeaba datos atómicos en tonos audibles únicos. Ahora, lo que comenzó como una herramienta educativa la ha llevado a crear una "tabla periódica auditiva" completa. Al examinar las formas de onda y las cualidades tonales de cada elemento de la tabla, está comenzando a explorar cómo esta "sonificación" de los átomos podría revelar relaciones estructurales inesperadas entre los elementos. El trabajo fue presentado en la 183ª Reunión de la Acoustical Society of America.

La motivación original de Linz para la sonificación de átomos surgió en 1997 mientras impartía un curso sobre acústica musical y técnicas de síntesis digital. "¡Quería hacer sonidos geniales!" ella dice. Y eso hizo, generando formas de onda que representaban las líneas espectrales de carbono, hidrógeno y otros elementos simples. Estas líneas espectrales corresponden a transiciones entre estados de energía electrónica, que dan como resultado la emisión de luz a frecuencias específicas. Linz tomó estas frecuencias de luz y las expresó como frecuencias audibles en una escala de 0 a 1000 Hz. Luego ingresó las frecuencias convertidas y las amplitudes relativas, un valor correspondiente al brillo de ese componente de color, en un programa de audio digital que las combinó para formar un sonido base sin procesar. Finalmente, aplicando una caída exponencial a este sonido, creó un tono de "cuerda pulsada" que suena más agradable al oído. Estos tonos atómicos originales inspiraron piezas de música clásica y contemporánea, con el análisis científico como un pensamiento lejano.

Sin embargo, como educador y físico, la precisión era primordial para Linz. A medida que el proyecto Atom Music se expandía y se convertía en un curso popular entre los estudiantes de ciencia y no ciencia, los colegas de física y química de Linz la instaron a publicar sus métodos y completar una tabla periódica completa. "La idea original fue de química, para estudiantes ciegos que no podían ver gráficos o líneas espectrales", dice ella. En ese momento, solo había creado tonos para los ocho elementos más simples, pero decidió en 2016 hacer lo mismo para todos los elementos de la tabla periódica. "Asegurarme de que la ciencia fuera correcta y verlo todo resultó ser mucho más difícil de lo que pensé originalmente".

Usando datos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Linz y un estudiante de investigación estudiaron detenidamente las líneas espectrales que se han observado para cada elemento. "No existe una forma matemática de automatizar esto", dice Linz, señalando que algunos elementos tienen cientos de líneas individuales que se mezclan. Tuvo que desarrollar un algoritmo para determinar qué líneas eran importantes para crear un sonido y cuáles no. Luego, utilizando un software de ingeniería de audio, aplicó métodos de procesamiento de señales para crear sonidos a partir de la suma matemática de cada conjunto de líneas.

Para noviembre de 2022, Linz finalmente completó la tabla periódica audible. Sus colegas de química querían saber de inmediato si alguno de los grupos de la tabla periódica (metales, gases nobles, alcalinos) podía identificarse por sus sonidos. ¿Todos los elementos, por ejemplo, en el grupo de metal de transición comparten una calidad de tono particular? "Pudimos ver algunas correlaciones entre las formas de onda de diferentes elementos. Pero estas correlaciones no coincidían con ningún grupo de la tabla periódica", dice Linz. Los grupos de la tabla periódica se basan en los electrones de la capa externa y en cómo se pueden compartir entre los átomos para formar enlaces químicos. Las líneas espectrales, sin embargo, se basan en las transiciones que hacen los electrones dentro de un solo átomo. "Tiene sentido que los grupos de la tabla periódica no mostraran los mismos patrones que los sonidos creados a partir de las líneas espectrales", dice Linz.

En cambio, Linz y sus colegas están explorando qué patrones aparecen al agrupar elementos de acuerdo con qué tan armoniosos suenan. Un patrón que han encontrado hasta ahora es que los elementos de menor masa, como el carbono, el oxígeno y el hidrógeno, tienden a tener tonos disonantes. Las líneas espectrales de estos elementos de luz están espaciadas en todo el espectro. Por el contrario, los metales más pesados, como el plomo, tienen tonos más puros que tienden a ser más agudos. Las líneas espectrales de estos elementos están mucho más juntas, lo que da como resultado una forma de onda que se aproxima a una onda sinusoidal limpia. Pero hay una excepción dentro de los metales pesados: el talio es inusualmente disonante. "No pertenece. Este es el tipo de patrón atípico que me intriga", dice Linz.

En el futuro, quiere examinar más de cerca las correlaciones entre los tipos y las cualidades de las formas de onda. ¿Existe una conexión entre los elementos que tienen un sonido sinusoidal agudo? ¿O los que son disonantes y ruidosos? ¿Pueden estos patrones proporcionar información sobre la estructura interna del átomo? Un ingeniero de sonido no solo escucha el tono, sino que también presta atención a la forma de onda digital y la distribución espectral. Tal vez los físicos y químicos curiosos de la música puedan hacer lo mismo para obtener información sobre los elementos atómicos.

La tabla periódica audible está demostrando su intriga tanto para la música como para la ciencia. Los sonidos del átomo ya han inspirado varios proyectos musicales: una composición de música "acuática" hecha mezclando las notas de los espectros de hidrógeno y oxígeno, un trabajo de improvisación basado en las escalas musicales de diferentes elementos y una canción de blues extraída de los "acordes". del átomo de helio. Las próximas actuaciones incluyen la Suite Atómica para una orquesta de cuerdas y una pieza basada en las firmas tonales del hierro y el oxígeno, componentes clave del transporte de glóbulos rojos. Los estudiantes que asistieron a la reunión de invierno de la Acoustical Society of America calificaron la música atómica como "increíble" y se acercaron a Linz para trabajar con ella tanto en síntesis musical como en investigación física. Ella dice: "Siento que lo que he creado es una nueva herramienta para investigar el mundo atómico. Realmente espero que otros también la encuentren una herramienta útil".

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz es editora correspondiente de Physics Magazine con sede en Vancouver, Canadá.

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