Een nieuwe studie heeft een opmerkelijke en onverwachte chemische genese op een steviger fundament gezet.

In 2019 onthulden onderzoekers en collega's van Stanford University de verrassende ontdekking dat waterstofperoxide - een bijtende stof die wordt gebruikt voor het desinfecteren van oppervlakken en het bleken van haar - zich spontaan vormt in microscopisch kleine druppeltjes gewoon, goedaardig water. Sindsdien hebben onderzoekers ernaar gestreefd om uit te zoeken hoe de nieuwe reactie plaatsvindt, en om mogelijke toepassingen te verkennen, zoals milieuvriendelijkere reinigingsmethoden.

De laatste studie heeft aangetoond dat wanneer gesproeide microdruppeltjes water een vast oppervlak raken, er een fenomeen optreedt dat bekend staat als contactelektrificatie. Elektrische lading springt tussen de twee materialen, vloeibaar en vast, en produceert onstabiele moleculaire fragmenten die reactieve zuurstofsoorten worden genoemd. Paren van deze soorten die bekend staan ​​als hydroxylradicalen, en die de chemische formule OH hebben, kunnen vervolgens combineren om waterstofperoxide te vormen, H₂ O₂ , in minuscule maar detecteerbare hoeveelheden.

De nieuwe studie toonde verder aan dat dit proces plaatsvindt in vochtige omgevingen wanneer water zowel bodemdeeltjes als fijne deeltjes in de atmosfeer raakt. Die aanvullende bevindingen suggereren dat water kan transformeren in kleine hoeveelheden reactieve zuurstofsoorten, zoals waterstofperoxide, waar microdruppeltjes zich van nature vormen, inclusief in mist, nevel en regendruppels, wat de resultaten van een gerelateerd onderzoek uit 2020 ondersteunt.

"We hebben nu een echt begrip dat we niet eerder hadden over de oorzaak van deze vorming van waterstofperoxide", zei hoofdauteur Richard Zare, de Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science en een professor in de chemie aan de Stanford School van Geesteswetenschappen en Wetenschappen. "Bovendien lijkt het erop dat contactelektrificatie met waterstofperoxide een universeel fenomeen is op water-vaste grensvlakken."

Zare leidde dit werk en werkte samen met onderzoekers van twee universiteiten in China, Jianghan University en Wuhan University, evenals de Chinese Academy of Sciences. De studie werd op 1 augustus gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Over de oorsprong van waterstofperoxide

Voor het onderzoek bouwden de onderzoekers een glazen apparaat met microscopisch kleine kanaaltjes waarin water met geweld kon worden geïnjecteerd. De geulen vormden een luchtdichte watervaste grens. De onderzoekers doordrongen het water met een fluorescerende kleurstof die gloeit in de aanwezigheid van waterstofperoxide. Een experiment toonde de aanwezigheid van de agressieve chemische stof aan in het glazen microfluïdische kanaal, maar niet in een bulkmonster van water dat ook de kleurstof bevat. Aanvullende experimenten hebben uitgewezen dat het waterstofperoxide zich snel, binnen enkele seconden, vormde op de grens tussen het water en de vaste stof.

Om te meten of het extra zuurstofatoom in het waterstofperoxide (H₂ O₂ ) kwam van een reactie met het glas of in het water (H₂ O) zelf behandelden de onderzoekers de glazen bekleding van sommige microfluïdische kanalen. Deze behandelde kanalen bevatten een zwaardere isotoop of versie van zuurstof, genaamd oxygen-18 of ¹⁸ O. Vergelijking van de post-reactiemix van water en waterstofperoxidevloeistof uit de behandelde en onbehandelde kanalen toonde het signaal van ¹⁸ O in het eerste, wat de vaste stof impliceert als de bron van zuurstof in de hydroxylradicalen en uiteindelijk in waterstofperoxide.

De nieuwe bevindingen kunnen een deel van het debat helpen oplossen dat is ontstaan ​​in de wetenschappelijke gemeenschap sinds de Stanford-onderzoekers drie jaar geleden aanvankelijk hun nieuwe detectie van waterstofperoxide in watermicrodruppeltjes aankondigden. Andere studies hebben de belangrijkste bijdragen benadrukt van de productie van waterstofperoxide via chemische interacties met het gas ozon, O₃ en een proces dat cavitatie wordt genoemd, wanneer dampbellen ontstaan ​​in lagedrukgebieden in versnelde vloeistoffen. Zare wees erop dat beide processen ook duidelijk waterstofperoxide opleveren, en in relatief grotere hoeveelheden.

"Al deze processen dragen bij aan de productie van waterstofperoxide, maar het huidige werk bevestigt dat deze productie ook intrinsiek is aan de manier waarop microdruppels worden gemaakt en interageren met vaste oppervlakken door middel van contactelektrificatie," zei Zare.

De rollen omdraaien voor seizoensgebonden luchtwegvirussen

Door vast te stellen hoe en in welke situaties water kan worden omgezet in reactieve zuurstofsoorten, zoals waterstofperoxide, zijn er tal van real-world inzichten en toepassingen, legt Zare uit. Een van de meest dwingende is het begrijpen van de vorming van hydroxylradicalen en waterstofperoxide als een over het hoofd geziene bijdrage aan de bekende seizoensgebondenheid van veel virale luchtwegaandoeningen, waaronder verkoudheid, griep en waarschijnlijk COVID-19 zodra de ziekte uiteindelijk volledig endemisch wordt.

Virale luchtweginfecties worden in de lucht overgedragen als waterdruppels wanneer mensen die ziek zijn hoesten, niezen, zingen of zelfs maar praten. Deze infecties hebben de neiging om in de winter te pieken en in de zomer weg te ebben, een trend die gedeeltelijk wordt toegeschreven aan het feit dat mensen meer tijd binnenshuis en in de nabije, overdraagbare nabijheid doorbrengen tijdens het koude weerseizoen. Maar tussen werk, school en 's nachts slapen, brengen mensen tijdens de warme weermaanden uiteindelijk ook ongeveer dezelfde hoeveelheid tijd binnenshuis door. Zare zei dat de bevindingen van de nieuwe studie een mogelijke verklaring bieden voor waarom de winter gecorreleerd is met meer griepgevallen:de belangrijkste variabele op het werk is vochtigheid, de hoeveelheid water in de lucht. In de zomer zorgen de hogere relatieve luchtvochtigheid binnenshuis - gekoppeld aan een hogere luchtvochtigheid in de warme lucht buiten - er waarschijnlijk voor dat reactieve zuurstofsoorten in druppeltjes voldoende tijd hebben om virussen te doden. In de winter daarentegen, wanneer de lucht in gebouwen wordt verwarmd en de luchtvochtigheid wordt verlaagd, verdampen de druppeltjes voordat de reactieve zuurstofsoorten als ontsmettingsmiddel kunnen werken.

"Contactelektrificatie biedt een chemische basis om gedeeltelijk te verklaren waarom virale luchtwegaandoeningen seizoensgebonden zijn", zei Zare. Dienovereenkomstig, voegde Zare eraan toe, moet toekomstig onderzoek eventuele verbanden tussen de luchtvochtigheid binnenshuis in gebouwen en de aanwezigheid en verspreiding van besmettingen onderzoeken. Als de verbanden verder worden bevestigd, kan het toevoegen van luchtbevochtigers aan verwarmings-, ventilatie- en koelsystemen de overdracht van ziekten verminderen.

"Een frisse kijk op het desinfecteren van oppervlakken is slechts een van de grote praktische gevolgen van dit werk waarbij de fundamentele chemie van water in het milieu betrokken is", zei Zare. "Het laat alleen maar zien dat we denken dat we zoveel weten over water, een van de meest voorkomende stoffen, maar dan zijn we nederig."

Zare is ook lid van Stanford Bio-X, het Cardiovascular Institute, het Stanford Cancer Institute, Stanford ChEM-H, het Stanford Woods Institute for the Environment en het Wu Tsai Neurosciences Institute. + Verder verkennen

Chemici ontdekken dat watermicrodruppeltjes spontaan waterstofperoxide produceren