Bildningen av väteperoxid vid gränsytan mellan luft och vatten i mikrodroppar är inte spontan som tidigare trott utan drivs istället av ozon. Kredit:KAUST
En omfattande undersökning av forskare från KAUST sätter rekordet när det gäller bildandet av väteperoxid i mikrometerstora vattendroppar, eller mikrodroppar, och visar att ozon är nyckeln till denna omvandling1,2.
Gränssnittet mellan luft och vatten är en avgörande plats för många naturliga, inhemska och industriella processer som hav-atmosfärutbyte, moln- och daggbildning, kolsyrade drycker och bioreaktorer. Ändå är det utmanande att sondera kemiska transformationer vid luft-vattengränssnittet på grund av bristen på ytspecifika tekniker eller beräkningsmodeller.
Ny forskning visade att vatten spontant omvandlas till 30–110 mikromolar väteperoxid (H2 O2 ) i mikrodroppar, erhållna genom att kondensera ånga eller spruta vatten med trycksatt kvävgas. Lärobokens förståelse av vatten utmanas alltså av hur de milda temperatur- och tryckförhållandena, tillsammans med frånvaron av katalysatorer, hjälplösningsmedel och betydande tillförd energi, skulle kunna bryta kovalenta O–H-bindningar. Det antogs att detta ovanliga fenomen berodde på ett ultrahögt elektriskt fält vid luft-vattengränsytan som hjälper till att bilda OH-radikaler, men inga direkta bevis har rapporterats.
För att fördjupa sig ytterligare i detta fenomen, satte Himanshu Mishra ihop ett team som involverade beräkningsvätskedynamiker och ingenjörer Hong Im och Sigurdur Thoroddsen. "Sprayer är komplexa system som kan innebära stötvågor och snabb avdunstning, så vi började med mikrodroppar av kondenserat vatten", säger Mishra.
I samarbete med Ph.D. studenterna Adair Gallo Jr och Nayara Musskopf, forskaren Peng Zhang använde en ultrakänslig fluorescensbaserad analys som kan detektera vattenhaltig H2 O2 med en nästan 40 gånger lägre detektionsgräns än den ursprungliga analysen. De hittade inget H2 O2 i kondenserade mikrodroppar från varmt vatten, men upp till en mikromolar H2 O2 i mikrodroppar från kommersiella ultraljudsfuktare. Med denna nyckelinsikt undersökte teamet sprayer.
Datorsimuleringar av postdoc Xinlei Liu och höghastighetsbilder av Ph.D. student Ziqiang Yang visade att skålformade stötvågor bildades i sprayer, men dessa förhållanden var otillräckliga för att kemiskt omvandla vatten till H2 O2 .
"Frågor kvarstod:var tog resten av H2 O2 kommer från de kondenserade och sprutade mikrodroppar som undersöktes i Kalifornien, och varför såg vi det inte på KAUST?" säger huvudförfattaren Gallo Jr. Efter flera misslyckade försök att förklara gåtan vände sig teamet till omgivande ozon som en potentiell aktör i H2 O2 bildning. "Jag hade ett Eureka-ögonblick när jag läste tidningar från 40 år sedan. De hade listat omgivande ozon som en interferent i vattenhaltig H2 O2 mätningar", förklarar Mishra.
För att kontrollera omgivande ozonnivåer använde forskarna en ozongenerator och blandade den resulterande gasen med kvävgas innan de fördes in i ett handskfack. De observerade att ökad ozonkoncentration ökade H2 O2 bildning. "Vi var så glada eftersom det här var svaret", säger medförfattaren Musskopf.
Medan omgivande ozonkoncentrationer förblir under två delar per miljard i vårt handskfack, kan de överstiga 80 delar per miljard i Kalifornien, enligt uppgifter som samlats in av Environmental Protection Agency. Även om ozon löses minimalt i vatten, gör den ökade ytan hos mikrodroppar att mer ozon kan lösas upp och snabbt reagera för att bilda H2 O2 . "Det måste finnas något relaterat till platsens geografi, en miljöskillnad mellan vår plats i Saudiarabien och Kalifornien, säger Gallo Jr.
Tillsammans motbevisar dessa data att vatten spontant omvandlas till H2 O2 vid luft-vatten-gränssnittet. "Vi har försvarat läroboken i fysikalisk kemi och vad vi vet om vatten", avslutar Mishra.
