In zijn bulk vloeibare vorm, of het nu in een badkuip of een oceaan is, water is een relatief goedaardige stof met weinig chemische activiteit. Maar op de schaal van kleine druppeltjes, water kan verrassend reactief worden, Onderzoekers van Stanford hebben ontdekt.

In microdruppeltjes water, slechts een miljoenste van een meter breed, een deel van de H ₂ O-moleculen die aanwezig zijn, kunnen worden omgezet in een nauwe chemische neef, waterstof peroxide, H ₂ O ₂ , een agressieve chemische stof die vaak wordt gebruikt als ontsmettingsmiddel en haarbleekmiddel.

Wetenschappers van Stanford rapporteerden vorig jaar voor het eerst dit onverwachte gedrag in met geweld gespoten microdruppeltjes water. Nu in een nieuwe studie, het onderzoeksteam heeft aangetoond dat dezelfde Jekyll-and-Hyde-transformatie plaatsvindt wanneer microdruppels eenvoudig vanuit de lucht condenseren op koude oppervlakken. De nieuwe resultaten suggereren dat de omzetting van waterstofperoxide in water een algemeen fenomeen is, voorkomend bij mist, nevels, regendruppels en overal waar zich op natuurlijke wijze microdruppels vormen.

De verrassende ontdekking zou kunnen leiden tot groenere methoden voor het desinfecteren van oppervlakken of het bevorderen van chemische reacties. "We hebben aangetoond dat het proces van vorming van waterstofperoxide in waterdruppels een wijdverbreid en verrassend fenomeen is dat recht onder onze neus plaatsvindt, " zei senior auteur Richard Zare, de Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science en een professor in de chemie aan de Stanford School of Humanities and Sciences.

De onderzoekers speculeren ook dat dit nieuw erkende chemische vermogen van water een sleutelrol had kunnen spelen bij het op gang brengen van de chemie voor het leven op aarde miljarden jaren geleden, en produceerde ook de eerste atmosferische zuurstof van onze planeet voordat het leven ontstond. "Deze spontane productie van waterstofperoxide kan een ontbrekend deel zijn van het verhaal over hoe de bouwstenen van het leven werden gevormd in het begin, ' zei Zare.

De co-hoofdauteurs van de nieuwe studie, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , zijn Stanford-stafwetenschappers Jae Kyoo Lee en Hyun Soo Han.

Samen met Zare en andere Stanford-collega's, Lee en Han deden vorig jaar de eerste ontdekking van de productie van waterstofperoxide in watermicrodruppeltjes. Sommige externe onderzoekers die de resultaten van het onderzoek doornamen, waren sceptisch, Zare zei, dat zo'n potentieel veelvoorkomend fenomeen zo lang onontdekt had kunnen blijven. Er ontstond ook discussie over hoe het waterstofperoxide zich ooit zou vormen.

"Het argument was dat mensen al jaren wateraërosolen bestuderen, en natuurlijk is water alomtegenwoordig en wordt het sinds het begin van de moderne wetenschap intensief bestudeerd, dus als deze vorming van waterstofperoxide in microdruppeltjes echt was, iemand zou het vast al gezien hebben, " zei Zare. "Dat bracht ons ertoe het fenomeen verder te willen onderzoeken, om te zien in welke andere omstandigheden het zou kunnen gebeuren, en leer meer over de fundamentele chemie die gaande is."

Microdruppels op een andere manier gemaakt

Zare en collega's besloten condensatie te onderzoeken, een scenario waarin microdruppels zich gemakkelijk op natuurlijke wijze vormen, zonder de hulp van een externe kracht zoals een vernevelaar. Condensatie treedt op wanneer waterdamp (gas) in de lucht overgaat in een vloeistof bij contact met een koeler oppervlak; bijvoorbeeld, wanneer de badkamerspiegel beslaat na een douche.

Het Stanford-team condenseerde water tot meerdere gekoelde materialen, inclusief silicium, glas, kunststof en metaal. De onderzoekers vegen vervolgens een teststrook die van kleur verandert in aanwezigheid van waterstofperoxide over het gecondenseerde water. Zowaar, de strook werd blauw. Het lage, maar detecteerbare hoeveelheden waterstofperoxide (in de orde van grootte van delen per miljoen) die zich vormden, varieerden op basis van factoren zoals de temperatuur van het oppervlak en de relatieve vochtigheid in de testkamer. De onderzoekers merkten ook op dat het waterstofperoxide gevormd in microdruppeltjes verdund werd naarmate de waterdruppels groter werden, wat zou kunnen verklaren waarom deze chemische transformatie zo lang over het hoofd werd gezien.

De nieuwe experimenten ondersteunen ook de aanvankelijke hypothese van de onderzoekers over de vorming van waterstofperoxide. Ze toonden aan dat een sterk elektrisch veld gegenereerd op het grensvlak van water en lucht, precies aan de rand van de microdruppel, lijkt watermoleculen te activeren, vormen verschillende zogenaamde reactieve zuurstofsoorten. Deze soorten zijn onstabiele moleculaire fragmenten die snel kunnen reageren met andere moleculen om waterstofperoxide op te leveren.

Een proces altijd bij ons en ruim voor ons

Chemie van dit soort op het niveau van microdruppels had meer dan vier eonen geleden de chemische overgang van niet-leven naar leven op aarde mogelijk gemaakt, zei Zare. De oorsprong van het leven heeft een soort kip-of-ei-dilemma, waar katalysatormoleculen die chemische reacties versnellen, en die nodig lijken om de chemie van het leven op gang te brengen, hebben in de eerste plaats leven nodig om de katalysatormoleculen te maken. Maar de natuurlijke vorming van waterstofperoxide had in plaats daarvan reacties kunnen bevorderen die leidden tot de moleculaire bouwstenen die uiteindelijk werden samengevoegd tot complexe, zelfreplicerende entiteiten.

Zare speculeert dat deze oude en wijdverbreide chemische reactie zelfs een bron van zuurstof voor het vroege leven zou kunnen zijn geweest (aangezien waterstofperoxide uiteenvalt in water- en zuurstofmoleculen) voordat organismen verschenen die zelf zuurstof konden produceren door middel van fotosynthese.

Het team van Zare onderzoekt momenteel hoe de productie van waterstofperoxide via microdruppels kan worden gebruikt voor reinigings- en desinfectiedoeleinden. Een intrigerende mogelijkheid, Zare suggereert, gebruikt microdruppels en hun begeleider H ₂ O ₂ om SARS-CoV-2 (het virus dat COVID-19 veroorzaakt) van oppervlakken te verwijderen.

"Met deze nieuwe studie en ons voortdurende werk, we leggen uit hoe en waarom waterdruppels zo duidelijk verschillen van bulkwater in termen van chemische reactiviteit, " zei Zare. "Het is verbazingwekkend dat scheikundig gezien, water heeft nog wat trucjes in petto."