En ny studie har satt en anmärkningsvärd och oväntad kemisk uppkomst på mer solid grund.

Redan 2019 avslöjade forskare och kollegor vid Stanford University den överraskande upptäckten att väteperoxid – ett frätande ämne som används för att desinficera ytor och bleka hår – spontant bildas i mikroskopiska droppar av vanligt, godartat vatten. Forskare har sedan dess strävat efter att konkretisera hur den nyfunna reaktionen uppstår, samt utforska potentiella tillämpningar, såsom miljövänligare rengöringsmetoder.

Den senaste studien har avslöjat att när sprutade mikrodroppar av vatten träffar en fast yta, inträffar ett fenomen som kallas kontaktelektrifiering. Elektrisk laddning hoppar mellan de två materialen, flytande och fasta, och producerar instabila molekylära fragment som kallas reaktiva syrearter. Par av dessa arter som kallas hydroxylradikaler, och som har den kemiska formeln OH, kan sedan kombineras för att bilda väteperoxid, H₂ O₂ , i små men detekterbara mängder.

Den nya studien visade vidare att denna process sker i fuktiga miljöer när vatten vidrör jordpartiklar såväl som fina partiklar i atmosfären. Dessa ytterligare fynd tyder på att vatten kan omvandlas till små mängder reaktiva syrearter, såsom väteperoxid, varhelst mikrodroppar bildas naturligt, inklusive i dimma, dimma och regndroppar, vilket stärker resultaten från en relaterad studie från 2020.

"Vi har en verklig förståelse nu som vi inte hade tidigare om vad som orsakar denna väteperoxidbildning", säger seniorförfattaren Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur-professorn i naturvetenskap och professor i kemi vid Stanford School för humaniora och vetenskap. "Dessutom verkar det som att kontaktelektrifiering som ger väteperoxid är ett universellt fenomen vid gränssnitt mellan vatten och fasta ämnen."

Zare ledde detta arbete och samarbetade med forskare från två universitet i Kina, Jianghan University och Wuhan University, samt den kinesiska vetenskapsakademin. Studien publicerades den 1 augusti i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Om väteperoxidens ursprung

För studien byggde forskarna en glasapparat med mikroskopiska kanaler i där vatten kunde tvångsinjiceras. Kanalerna bildade en lufttät vattenfast gräns. Forskarna perfunderade vattnet med ett fluorescerande färgämne som lyser i närvaro av väteperoxid. Ett experiment visade närvaron av den starka kemikalien i glasets mikrofluidkanal, men inte i ett bulkprov av vatten som också innehöll färgämnet. Ytterligare experiment utvecklade att väteperoxiden bildades snabbt, inom några sekunder, vid gränsen mellan vattnet och det fasta ämnet.

För att mäta om den extra syreatomen i väteperoxiden (H₂ O₂ ) kom från en reaktion med glaset eller i vattnet (H₂ O) själv behandlade forskarna glasbeklädnaden i vissa mikrofluidkanaler. Dessa behandlade kanaler innehöll en tyngre isotop eller version av syre, kallad oxygen-18 eller ¹⁸ O. Att jämföra efterreaktionsblandningen av vatten och väteperoxidvätska från de behandlade och obehandlade kanalerna visade signalen ¹⁸ O i den förra, vilket innebär att det fasta ämnet är källan till syre i hydroxylradikaler och slutligen i väteperoxid.

De nya rönen kan hjälpa till att lösa en del av debatten som har uppstått i det vetenskapliga samfundet sedan Stanford-forskarna först tillkännagav sin nya upptäckt av väteperoxid i mikrodroppar i vatten för tre år sedan. Andra studier har betonat de stora bidragen från produktionen av väteperoxid via kemiska interaktioner med gasen ozon, O₃ , och en process som kallas kavitation, när ångbubblor uppstår i lågtrycksområden i accelererade vätskor. Zare påpekade att båda dessa processer också klart ger väteperoxid, och i jämförelsevis större mängder.

"Alla dessa processer bidrar till produktionen av väteperoxid, men det aktuella arbetet bekräftar att denna produktion också är inneboende för hur mikrodroppar framställs och interagerar med fasta ytor genom kontaktelektrifiering", säger Zare.

Vänd på steken om säsongsbetonade luftvägsvirus

Att spika ner hur och i vilka situationer vatten kan omvandlas till reaktiva syrearter, såsom väteperoxid, har en mängd verkliga insikter och tillämpningar, förklarade Zare. Bland de mest övertygande är att förstå bildandet av hydroxylradikaler och väteperoxid som en förbisedd bidragande orsak till den välkända säsongsvariationen av många virussjukdomar i luftvägarna, inklusive förkylningar, influensa och troligen covid-19 när sjukdomen så småningom blir helt endemisk.

Virala luftvägsinfektioner överförs i luften som vattendroppar när människor som är sjuka hostar, nyser, sjunger eller bara pratar. Dessa infektioner tenderar att öka på vintern och ebba ut på sommaren, en trend som delvis kritats upp till att människor spenderar mer tid inomhus och i nära, överförbar närhet under den kalla vädret. Men mellan arbete, skola och att sova på natten tillbringar folk faktiskt ungefär lika mycket tid inomhus under de varma vädermånaderna också. Zare sa att den nya studiens resultat erbjuder en möjlig förklaring till varför vintern är korrelerad med fler influensafall:Nyckelvariabeln på jobbet är fuktighet, mängden vatten i luften. På sommaren underlättar sannolikt de högre relativa nivåerna av luftfuktighet inomhus - kopplade till högre luftfuktighet i den varma luften utanför - reaktiva syrearter i droppar som har tillräckligt med tid för att döda virus. Som kontrast, på vintern – när luften inuti byggnader värms upp och dess fuktighet sänks – avdunstar dropparna innan de reaktiva syreämnena kan fungera som ett desinfektionsmedel.

"Kontaktelektrifiering ger en kemisk grund för att delvis förklara varför det finns säsongsbetonade virussjukdomar i luftvägarna", säger Zare. Följaktligen, tillade Zare, bör framtida forskning undersöka eventuella samband mellan luftfuktighetsnivåer inomhus i byggnader och förekomsten och spridningen av smittor. Om kopplingarna bekräftas ytterligare kan det minska sjukdomsöverföringen genom att helt enkelt lägga till luftfuktare i värme-, ventilations- och kylsystem.

"Att ta ett nytt tillvägagångssätt för att desinficera ytor är bara en av de stora praktiska konsekvenserna av detta arbete som involverar den grundläggande kemin av vatten i miljön", säger Zare. "Det visar bara att vi tror att vi vet så mycket om vatten, ett av de vanligaste ämnena, men sedan är vi ödmjuka."

Zare är också medlem i Stanford Bio-X, Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute, Stanford ChEM-H, Stanford Woods Institute for the Environment och Wu Tsai Neurosciences Institute. + Utforska vidare

Kemister upptäcker att mikrodroppar i vatten spontant producerar väteperoxid