Forskning afslører den kemiske baggrund for, hvordan godartet vand kan omdannes til hårdt brintoverilte

En ny undersøgelse har sat en bemærkelsesværdig og uventet kemisk genese på mere solidt grundlag.

Tilbage i 2019 afslørede forskere og kolleger fra Stanford University den overraskende opdagelse, at hydrogenperoxid – et ætsende stof, der bruges til at desinficere overflader og blege hår – spontant dannes i mikroskopiske dråber af almindeligt, godartet vand. Forskere har siden haft til formål at uddybe, hvordan den nyfundne reaktion opstår, samt at udforske potentielle anvendelser, såsom miljøvenligere rengøringsmetoder.

Den seneste undersøgelse har afsløret, at når sprøjtede mikrodråber af vand rammer en fast overflade, sker der et fænomen kendt som kontaktelektrificering. Elektrisk ladning hopper mellem de to materialer, flydende og faste, og producerer ustabile molekylære fragmenter kaldet reaktive oxygenarter. Par af disse arter kendt som hydroxylradikaler, og som har den kemiske formel OH, kan derefter kombineres og danne hydrogenperoxid, H₂ O₂ , i minimale, men påviselige mængder.

Den nye undersøgelse viste yderligere, at denne proces forekommer i fugtige miljøer, når vand rører partikler af jord såvel som fine partikler i atmosfæren. Disse yderligere resultater tyder på, at vand kan omdannes til små mængder reaktive oxygenarter, såsom hydrogenperoxid, hvor som helst mikrodråber dannes naturligt, herunder i tåge, tåger og regndråber, hvilket styrker resultaterne fra en relateret undersøgelse fra 2020.

"Vi har en reel forståelse nu, som vi ikke havde før om, hvad der får denne brintoveriltedannelse til at ske," sagde seniorforfatter Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur-professor i naturvidenskab og professor i kemi ved Stanford School for humaniora og videnskab. "Ydermere ser det ud til, at kontaktelektrificering, der giver hydrogenperoxid, er et universelt fænomen ved grænseflader mellem vand og faste stoffer."

Zare ledede dette arbejde og samarbejdede med forskere fra to universiteter i Kina, Jianghan University og Wuhan University, samt det kinesiske videnskabsakademi. Undersøgelsen blev offentliggjort 1. august i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Om oprindelsen af ​​hydrogenperoxid

Til undersøgelsen byggede forskerne et glasapparat med mikroskopiske kanaler i, hvor vand kunne tvangsinjiceres. Kanalerne dannede en lufttæt vandfast grænse. Forskerne gennemblødte vandet med et fluorescerende farvestof, der lyser i nærvær af hydrogenperoxid. Et eksperiment viste tilstedeværelsen af ​​det skrappe kemikalie i den mikrofluidiske glaskanal, men ikke i en bulkprøve af vand, der også indeholdt farvestoffet. Yderligere eksperimenter uddybede, at hydrogenperoxidet dannedes hurtigt, inden for få sekunder, ved grænsen mellem vandet og det faste stof.

For at måle om det ekstra oxygenatom i hydrogenperoxidet (H₂ O₂ ) kom fra en reaktion med glasset eller i vandet (H₂ O) selv behandlede forskerne glasforingen af ​​nogle mikrofluidkanaler. Disse behandlede kanaler indeholdt en tungere isotop eller version af oxygen, kaldet oxygen-18 eller ¹⁸ O. Sammenligning af efterreaktionsblandingen af ​​vand og hydrogenperoxidvæske fra de behandlede og ubehandlede kanaler viste signalet ¹⁸ O i førstnævnte, hvilket implicerer det faste stof som kilden til oxygen i hydroxylradikaler og i sidste ende i hydrogenperoxid.

De nye resultater kan hjælpe med at afgøre noget af den debat, der er fulgt i det videnskabelige samfund, siden Stanford-forskerne oprindeligt annoncerede deres nye påvisning af hydrogenperoxid i vanddråber for tre år siden. Andre undersøgelser har understreget de store bidrag fra brintoverilteproduktion via kemiske interaktioner med gassen ozon, O₃ , og en proces kaldet kavitation, når dampbobler opstår i lavtryksområder i accelererede væsker. Zare påpegede, at begge disse processer også klart giver hydrogenperoxid og i forholdsvis større mængder.

"Alle disse processer bidrager til produktionen af ​​hydrogenperoxid, men det nuværende arbejde bekræfter, at denne produktion også er uløseligt forbundet med den måde, mikrodråber fremstilles på og interagerer med faste overflader gennem kontaktelektrificering," sagde Zare.

Vend bordet med sæsonbestemte luftvejsvira

At finde ud af, hvordan og i hvilke situationer vand kan omdannes til reaktive oxygenarter, såsom hydrogenperoxid, har et væld af indsigter og anvendelser fra den virkelige verden, forklarede Zare. Blandt de mest overbevisende er forståelsen af ​​dannelsen af ​​hydroxylradikaler og brintoverilte som en overset bidragyder til den velkendte sæsonbetingelse af mange virale luftvejssygdomme, herunder forkølelse, influenza og sandsynligvis COVID-19, når sygdommen til sidst bliver fuldstændig endemisk.

Virale luftvejsinfektioner overføres i luften som vandige dråber, når mennesker, der er syge, hoster, nyser, synger eller endda bare taler. Disse infektioner har en tendens til at stige om vinteren og ebbe ud om sommeren, en tendens, der til dels er ført til, at folk bruger mere tid indendørs og i tæt, overførbar nærhed i den kolde sæson. Men mellem arbejde, skole og nattesøvn ender folk faktisk også med at bruge omtrent den samme mængde tid indendørs i de varme måneder. Zare sagde, at den nye undersøgelses resultater tilbyder en mulig forklaring på, hvorfor vinteren er korreleret med flere influenzatilfælde:Nøglevariablen på arbejdet er fugtighed, mængden af ​​vand i luften. Om sommeren letter de højere relative niveauer af indendørs fugtighed - bundet til højere luftfugtighed i den varme luft udenfor - sandsynligvis reaktive iltarter i dråber, der har tid nok til at dræbe vira. Om vinteren – når luften inde i bygninger opvarmes og luftfugtigheden sænkes – fordamper dråberne, før de reaktive oxygenarter kan fungere som et desinfektionsmiddel.

"Kontaktelektrificering giver et kemisk grundlag for til dels at forklare, hvorfor der er sæsonbestemte forhold til virale luftvejssygdomme," sagde Zare. Derfor, tilføjede Zare, bør fremtidig forskning undersøge enhver sammenhæng mellem indendørs fugtighedsniveauer i bygninger og tilstedeværelsen og spredningen af ​​smitte. Hvis forbindelserne bekræftes yderligere, kan blot tilføjelse af befugtere til varme-, ventilations- og kølesystemer mindske sygdomsoverførslen.

"At tage en ny tilgang til at desinficere overflader er blot en af ​​de store praktiske konsekvenser af dette arbejde, der involverer vandets grundlæggende kemi i miljøet," sagde Zare. "Det viser bare, at vi tror, ​​vi ved så meget om vand, et af de mest almindeligt forekommende stoffer, men så er vi ydmyge."

Zare er også medlem af Stanford Bio-X, Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute, Stanford ChEM-H, Stanford Woods Institute for the Environment og Wu Tsai Neurosciences Institute. + Udforsk yderligere

Kemikere opdager, at vanddråber spontant producerer hydrogenperoxid