Det, vi vidste om vand, var trods alt rigtigt

En omfattende undersøgelse foretaget af KAUST-forskere sætter rekorden for dannelsen af ​​brintoverilte i mikrometerstore vanddråber eller mikrodråber og viser, at ozon er nøglen til denne transformation1,2.

Luft-vand-grænsefladen er et afgørende sted for adskillige naturlige, huslige og industrielle processer, såsom hav-atmosfære-udveksling, sky- og dugdannelse, kulsyreholdige drikkevarer og bioreaktorer. Alligevel er det udfordrende at sondere kemiske transformationer ved luft-vand-grænsefladen på grund af manglen på overfladespecifikke teknikker eller beregningsmodeller.

Nyere forskning afslørede, at vand spontant omdannes til 30-110 mikromolært hydrogenperoxid (H₂ O₂ ) i mikrodråber, opnået ved at kondensere damp eller sprøjte vand ved hjælp af nitrogengas under tryk. Lærebogens forståelse af vand er således udfordret af, hvordan de milde temperatur- og trykforhold, sammen med fraværet af katalysatorer, co-opløsningsmidler og betydelig påført energi, kunne bryde kovalente O–H-bindinger. Det blev antaget, at dette usædvanlige fænomen skyldtes et ultrahøjt elektrisk felt ved luft-vand-grænsefladen, der hjælper OH-radikaldannelse, men der er ikke rapporteret direkte beviser.

For at dykke yderligere ind i dette fænomen, samlede Himanshu Mishra et team, der involverede beregningsvæskedynamikere og ingeniører Hong Im og Sigurdur Thoroddsen. "Sprays er komplekse systemer, der kan medføre chokbølger og hurtig fordampning; så vi startede med kondenserede mikrodråber," siger Mishra.

I samarbejde med ph.d. studerende Adair Gallo Jr og Nayara Musskopf, forsker Peng Zhang brugte en ultrafølsom fluorescensbaseret analyse, der kan påvise vandig H₂ O₂ med en næsten 40 gange lavere detektionsgrænse end den oprindelige analyse. De fandt ingen H₂ O₂ i kondenserede mikrodråber fra varmt vand, men op til en mikromolær H₂ O₂ i mikrodråber fra kommercielle ultralydsbefugtere. Med denne nøgleindsigt undersøgte holdet sprays.

Computersimuleringer af postdoc Xinlei Liu og højhastighedsbilleddannelse af Ph.D. studerende Ziqiang Yang demonstrerede, at skålformede chokbølger dannedes i sprays, men disse forhold var utilstrækkelige til kemisk at omdanne vand til H₂ O₂ .

"Spørgsmål tilbage:hvor blev resten af ​​H₂ O₂ kommer fra de fortættede og sprøjtede mikrodråber, der blev undersøgt i Californien, og hvorfor så vi det ikke på KAUST?« siger hovedforfatter Gallo Jr. Efter flere mislykkede forsøg på at forklare gåden, vendte holdet sig mod omgivende ozon som en potentiel aktør i H₂ O₂ dannelse. "Jeg havde et Eureka-øjeblik, mens jeg læste papirer fra 40 år siden. De havde angivet omgivende ozon som en interferens i vandigt H₂ O₂ målinger," forklarer Mishra.

For at kontrollere det omgivende ozonniveau brugte forskerne en ozongenerator og blandede den resulterende gas med nitrogengas, før de blev indført i et handskerum. De observerede, at øget ozonkoncentration øgede H₂ O₂ dannelse. "Vi var så glade, fordi dette var svaret," siger medforfatter Musskopf.

Mens den omgivende ozonkoncentration forbliver under to dele pr. milliard inde i vores handskerum, kan de overstige 80 dele per milliard i Californien, ifølge optegnelser indsamlet af Environmental Protection Agency. Selvom ozon minimalt opløses i vand, tillader det forbedrede overfladeareal af mikrodråber mere ozon at blive opløst og hurtigt reagere for at danne H₂ O₂ . "Der måtte være noget relateret til stedets geografi, en miljømæssig forskel mellem vores placering i Saudi-Arabien og Californien, siger Gallo Jr.

Tilsammen modbeviser disse data, at vand spontant forvandles til H₂ O₂ ved luft-vand-grænsefladen. "Vi har forsvaret lærebogens fysiske kemi og det, vi ved om vand," slutter Mishra.