Forskere finder ud af, at vanddråber kan omdannes til hydrogenperoxid, når de kondenserer på kolde overflader

I sin flydende bulkform, hvad enten det er i et badekar eller et hav, vand er et relativt godartet stof med ringe kemisk aktivitet. Men nede på skalaen af ​​små dråber, vand kan blive overraskende reaktivt, Stanford-forskere har opdaget.

I mikrodråber vand, kun milliontedele af en meter bred, en del af H ₂ O-molekyler til stede kan omdannes til en tæt kemisk fætter, brintoverilte, H ₂ O ₂ , et hårdt kemikalie, der almindeligvis bruges som desinfektionsmiddel og hårblegemiddel.

Stanford-forskere rapporterede først om denne uventede adfærd i tvangssprøjtede mikrodråber vand sidste år. Nu i en ny undersøgelse, forskerholdet har vist, at den samme Jekyll-and-Hyde-transformation sker, når mikrodråber blot kondenserer fra luften til kolde overflader. De nye resultater tyder på, at vands hydrogenperoxid-transformation er et generelt fænomen, forekommer i tåge, tåger, regndråber og hvor der ellers dannes mikrodråber naturligt.

Den overraskende opdagelse kan føre til grønnere metoder til at desinficere overflader eller fremme kemiske reaktioner. "Vi har vist, at processen med at danne brintoverilte i vanddråber er et udbredt og overraskende fænomen, der er sket lige under vores næse, " sagde seniorforfatter Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur professor i naturvidenskab og professor i kemi ved Stanford School of Humanities and Sciences.

Forskerne spekulerer også i, at denne nyligt anerkendte kemiske evne af vand kunne have spillet en nøglerolle i at sætte gang i kemien for livet på Jorden for milliarder af år siden, samt produceret vores planets første atmosfæriske ilt, før livet opstod. "Denne spontane produktion af brintoverilte kan være en manglende del af historien om, hvordan livets byggesten blev dannet tidligt, " sagde Zare.

Medforfatterne af den nye undersøgelse, udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , er Stanfords stabsforskere Jae Kyoo Lee og Hyun Soo Han.

Sammen med Zare og andre Stanford-kolleger, Lee og Han gjorde den første opdagelse af hydrogenperoxidproduktion i vanddråber sidste år. Nogle eksterne forskere, der gennemgik undersøgelsens resultater, var skeptiske, Zare sagde, at et sådant potentielt almindeligt fænomen kunne have været uopdaget så længe. Der opstod også en debat om, hvordan brintoverilte faktisk ville dannes.

"Argumentet var, at folk har studeret vandaerosoler i årevis, og selvfølgelig er vand allestedsnærværende og er blevet undersøgt intensivt siden den moderne videnskabs begyndelse, så hvis denne hydrogenperoxiddannelse i mikrodråber var reel, nogen ville sikkert have set det allerede " sagde Zare. "Det fik os til at ville udforske fænomenet yderligere, for at se under hvilke andre omstændigheder det kan forekomme, samt lære mere om den grundlæggende kemi, der foregår."

Mikrodråber lavet på en anden måde

Zare og kolleger besluttede at undersøge kondens, et scenarie, hvor mikrodråber let dannes naturligt, uden hjælp af en ekstern kraft, såsom et forstøverinstrument. Kondensering opstår, når vanddamp (gas) i luften overgår til en væske ved kontakt med en køligere overflade; for eksempel, når badeværelsesspejlet dugger efter et brusebad.

Stanford-teamet kondenserede vand til flere kølede materialer, inklusive silicium, glas, plastik og metal. Forskerne tørrede derefter en teststrimmel, der skifter farve i nærvær af hydrogenperoxid, over det kondenserede vand. Helt sikkert, strimlen blev blå. Den lave, alligevel påviselige mængder af hydrogenperoxid (i størrelsesordenen ppm), der dannes, varierede baseret på faktorer såsom overfladetemperaturen og den relative fugtighed i testkammeret. Forskerne bemærkede også, at brintoverilte dannet i mikrodråber blev fortyndet, efterhånden som størrelsen af ​​vanddråberne voksede, hvilket kan forklare, hvorfor denne kemiske transformation var blevet overset så længe.

De nye eksperimenter understøtter også forskernes indledende hypotese om, hvordan brintoverilte dannes. De demonstrerede, at et stærkt elektrisk felt genereret ved grænsefladen mellem vand og luft, lige ved mikrodråbens periferi, synes at aktivere vandmolekyler, danner forskellige såkaldte reaktive oxygenarter. Disse arter er ustabile molekylære fragmenter, der hurtigt kan reagere med andre molekyler for at give hydrogenperoxid.

En proces, der altid er med os og langt foran os

Kemi af denne art på mikrodråbeniveau kunne have styrket den kemiske overgang fra ikke-liv til liv på Jorden for over fire eoner siden, sagde Zare. Livets oprindelse har en slags kylling-eller-æg-dilemma, hvor katalysatormolekyler, der fremskynder kemiske reaktioner, og som synes nødvendige for at sætte gang i livets kemi, kræve livet selv for at lave katalysatormolekylerne i første omgang. Men den naturlige dannelse af brintoverilte kunne i stedet have fremmet reaktioner, der førte til de molekylære byggesten, der i sidste ende blev samlet til kompleks, selvreplikerende enheder.

Zare spekulerer i, at denne ældgamle og udbredte kemiske reaktion endda kunne have givet en kilde til ilt til det tidlige liv (da brintoverilte nedbrydes til vand og iltmolekyler) før fremkomsten af ​​organismer, der selv kunne producere ilt gennem fotosyntese.

Zares team undersøger i øjeblikket, hvordan hydrogenperoxidproduktion via mikrodråber kan udnyttes til rengøring og desinficering. En spændende mulighed, Zare foreslår, bruger mikrodråber og deres ledsager H ₂ O ₂ at fjerne SARS-CoV-2 (virussen, der forårsager COVID-19) fra overflader.

"Med denne nye undersøgelse og vores fortsatte arbejde, vi forklarer, hvordan og hvorfor vanddråber er så markant forskellige fra bulkvand med hensyn til kemisk reaktivitet, " sagde Zare. "Det er fantastisk, at kemimæssigt, vand har stadig nogle tricks i ærmet."