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Nov 09, 2023

Física

No início de seu mandato como instrutora de física no Skidmore College, em Nova York, Jill

No início de seu mandato como instrutora de física no Skidmore College, em Nova York, Jill Linz queria fundir sua formação em música clássica com sua vida científica profissional. Ela encontrou um local para esse cruzamento de disciplinas em um projeto que mapeava dados atômicos em tons audíveis únicos. Agora, o que começou como uma ferramenta educacional a levou a criar uma "tabela periódica auditiva" completa. Ao examinar as formas de onda e as qualidades tonais de cada elemento da tabela, ela começa a explorar como essa "sonificação" dos átomos pode revelar relações estruturais inesperadas entre os elementos. O trabalho foi apresentado no 183º Encontro da Acoustical Society of America.

A motivação original de Linz para a sonificação de átomos surgiu em 1997, enquanto ministrava um curso de acústica musical e técnicas de síntese digital. "Eu queria fazer sons legais!" ela diz. E isso ela fez, gerando formas de onda que representavam as linhas espectrais de carbono, hidrogênio e outros elementos simples. Essas linhas espectrais correspondem a transições entre estados de energia eletrônica, que resultam na emissão de luz em frequências específicas. Linz pegou essas frequências de luz e as expressou como frequências audíveis em uma escala de 0 a 1000 Hz. Ela então inseriu as frequências convertidas e as amplitudes relativas - um valor correspondente ao brilho desse componente de cor - em um programa de áudio digital que os combinou para formar um som base bruto. Por fim, aplicando um decaimento exponencial a esse som, ela criou um tom de "corda dedilhada" que soa mais agradável ao ouvido. Esses tons atômicos originais inspiraram peças musicais clássicas e contemporâneas, sendo a análise científica um pensamento distante.

Como educador e físico, no entanto, a precisão era fundamental para Linz. À medida que o projeto Atom Music se expandia e se tornava um curso popular entre estudantes de ciência e não-ciência, os colegas de física e química de Linz insistiram para que ela publicasse seus métodos e completasse uma tabela periódica inteira. "A ideia original veio da química, para alunos cegos que não conseguiam ver gráficos ou linhas espectrais", diz ela. Na época, ela havia criado tons apenas para os oito elementos mais simples, mas decidiu em 2016 fazer o mesmo para todos os elementos da tabela periódica. "Certificar-se de que a ciência estava correta e ver tudo acabou sendo muito mais difícil do que eu pensava inicialmente."

Usando dados do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, Linz e um estudante de pesquisa se debruçaram sobre as linhas espectrais que foram observadas para cada elemento. "Não há maneira matemática de automatizar isso", diz Linz, observando que alguns elementos têm centenas de linhas individuais que se misturam. Ela teve que desenvolver um algoritmo para determinar quais linhas eram importantes para criar um som e quais não eram. Então, usando um software de engenharia de áudio, ela aplicou métodos de processamento de sinal para criar sons a partir da soma matemática de cada conjunto de linhas.

Em novembro de 2022, Linz finalmente completou a tabela periódica audível. Seus colegas químicos imediatamente quiseram saber se algum dos grupos da tabela periódica - metais, gases nobres, alcalinos - poderia ser identificado por seus sons. Todos os elementos, por exemplo, no grupo de metais de transição compartilham uma qualidade de tom particular? "Podemos ver algumas correlações entre as formas de onda de diferentes elementos. Mas essas correlações não correspondem a nenhum agrupamento da tabela periódica", diz Linz. Os grupos da tabela periódica são baseados nos elétrons da camada externa e em como eles podem ser compartilhados entre os átomos para formar ligações químicas. As linhas espectrais, no entanto, são baseadas nas transições que os elétrons fazem dentro de um único átomo. “Faz sentido que os grupos da tabela periódica não apresentem os mesmos padrões dos sons criados a partir das linhas espectrais”, diz Linz.

Em vez disso, Linz e seus colegas estão explorando quais padrões aparecem agrupando elementos de acordo com o quão harmoniosos eles soam. Um padrão que eles descobriram até agora é que elementos de massa inferior – como carbono, oxigênio e hidrogênio – tendem a ter tons dissonantes. As linhas espectrais desses elementos de luz são espaçadas em todo o espectro. Em contraste, metais mais pesados, como chumbo, têm tons mais puros que tendem a ser mais agudos. As linhas espectrais desses elementos estão muito mais próximas, resultando em uma forma de onda que se aproxima de uma onda senoidal limpa. Mas há uma exceção dentro dos metais pesados: o tálio é extraordinariamente dissonante. "Não pertence. Este é o tipo de padrão atípico que me intriga", diz Linz.