Fotot visar vattenmikrodroppar bildat på ytan av en glasbehållare innehållande kallt vatten (vänster) och en bild av vattenmikrodroppar bildade på en polerad kiselyta (höger). Kredit:Jae Kyoo Lee och Hyun Soo Han
I sin flytande bulkform, vare sig i ett badkar eller ett hav, vatten är ett relativt godartat ämne med liten kemisk aktivitet. Men nere på skalan av små droppar, vatten kan bli förvånansvärt reaktivt, Stanford-forskare har upptäckt.
I mikrodroppar vatten, bara miljondels meter bred, en del av H 2 O-molekyler som finns kan omvandlas till en nära kemisk kusin, Väteperoxid, H 2 O 2 , en hård kemikalie som vanligtvis används som desinfektionsmedel och hårblekningsmedel.
Stanford-forskare rapporterade först om detta oväntade beteende i tvångssprutade mikrodroppar vatten förra året. Nu i en ny studie, forskargruppen har visat att samma Jekyll-and-Hyde-transformation sker när mikrodroppar helt enkelt kondenserar från luften till kalla ytor. De nya resultaten tyder på att vattens väteperoxidomvandling är ett allmänt fenomen, förekommer i dimma, dimma, regndroppar och varhelst mikrodroppar annars bildas naturligt.
Den överraskande upptäckten kan leda till grönare metoder för att desinficera ytor eller främja kemiska reaktioner. "Vi har visat att processen att bilda väteperoxid i vattendroppar är ett utbrett och överraskande fenomen som har hänt precis under näsan på oss, " sade seniorförfattaren Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur professor i naturvetenskap och professor i kemi vid Stanford School of Humanities and Sciences.
Forskarna spekulerar också i att denna nyligen erkända kemiska förmåga hos vatten kunde ha spelat en nyckelroll i att sätta fart på kemin för livet på jorden för miljarder år sedan, samt producerade vår planets första atmosfäriska syre innan livet uppstod. "Denna spontana produktion av väteperoxid kan vara en saknad del av historien om hur livets byggstenar bildades tidigt, " sa Zare.
Medförfattarna till den nya studien, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences , är Stanfords personalforskare Jae Kyoo Lee och Hyun Soo Han.
Tillsammans med Zare och andra Stanford-kollegor, Lee och Han gjorde den första upptäckten av väteperoxidproduktion i vattenmikrodroppar förra året. Några utomstående forskare som gick igenom studiens resultat var skeptiska, Zare sa, att ett sådant potentiellt vanligt fenomen kunde ha förblivit oupptäckt så länge. Debatt följde också om hur väteperoxiden någonsin skulle bildas.
"Argumentet var att folk har studerat vattenaerosoler i flera år, och naturligtvis finns vatten överallt och har studerats intensivt sedan den moderna vetenskapens gryning, så om denna väteperoxidbildning i mikrodroppar var verklig, säkert någon skulle ha sett det redan, ", sa Zare. "Det fick oss att vilja utforska fenomenet ytterligare, för att se under vilka andra omständigheter det kan inträffa, samt lära dig mer om den grundläggande kemin som pågår."
Mikrodroppar gjordes på ett annat sätt
Zare och kollegor bestämde sig för att undersöka kondens, ett scenario där mikrodroppar lätt bildas naturligt, utan hjälp av en yttre kraft såsom ett nebulisatorinstrument. Kondensering uppstår när vattenånga (gas) i luften övergår till en vätska vid kontakt med en svalare yta; till exempel, när badrumsspegeln imma efter en dusch.
Stanford-teamet kondenserade vatten till flera kylda material, inklusive kisel, glas, plast och metall. Forskarna torkade sedan av en testremsa som ändrar färg i närvaro av väteperoxid över det kondenserade vattnet. Säker nog, remsan blev blå. Den låga, ändå detekterbara mängder väteperoxid (i storleksordningen delar per miljon) som bildades varierade baserat på faktorer som ytans temperatur och den relativa fuktigheten i testkammaren. Forskarna noterade också att väteperoxiden som bildades i mikrodroppar blev utspädd när storleken på vattendropparna växte, vilket kan förklara varför denna kemiska omvandling hade förbisetts så länge.
De nya experimenten stöder också forskarnas initiala hypotes om hur väteperoxiden bildades. De visade att ett starkt elektriskt fält som genereras i gränssnittet mellan vatten och luft, precis vid mikrodroppens periferi, verkar aktivera vattenmolekyler, bildar olika så kallade reaktiva syrearter. Dessa arter är instabila molekylära fragment som snabbt kan reagera med andra molekyler för att ge väteperoxid.
En process alltid med oss och långt framför oss
Kemi av det här slaget på mikrodroppsnivå kunde ha förstärkt den kemiska övergången från icke-liv till liv på jorden för över fyra eoner sedan, sa Zare. Livets ursprung har ett slags kyckling-eller-ägg-dilemma, där katalysatormolekyler som påskyndar kemiska reaktioner, och som verkar nödvändiga för att få fart på livets kemi, kräver livet självt för att göra katalysatormolekylerna i första hand. Men den naturliga skapandet av väteperoxid kunde istället ha främjat reaktioner som ledde till de molekylära byggstenarna som slutligen samlades till komplex, självreplikerande enheter.
Zare spekulerar i att denna uråldriga och utbredda kemiska reaktion till och med kunde ha tillhandahållit en källa till syre för tidigt liv (eftersom väteperoxid bryts ner till vatten och syremolekyler) innan organismer uppträdde som själva kunde producera syre genom fotosyntes.
Zares team undersöker för närvarande hur väteperoxidproduktion via mikrodroppar kan utnyttjas för rengöring och desinficering. En spännande möjlighet, Zare föreslår, använder mikrodroppar och deras åtföljare H 2 O 2 för att eliminera SARS-CoV-2 (viruset som orsakar covid-19) från ytor.
"Med denna nya studie och vårt fortsatta arbete, vi förklarar hur och varför vattendroppar skiljer sig så markant från bulkvatten när det gäller kemisk reaktivitet, " sa Zare. "Det är fantastiskt att kemimässigt, vatten har fortfarande några tricks i rockärmen."
