A tanulmány feltárja a kémiai alapjait annak, hogy a jóindulatú víz hogyan alakulhat kemény hidrogén-peroxiddá

Egy új tanulmány egy figyelemre méltó és váratlan kémiai genezist határozottabb alapokra helyezett.

2019-ben a Stanford Egyetem kutatói és munkatársai azt a meglepő felfedezést tették, hogy a hidrogén-peroxid – a felületek fertőtlenítésére és a haj szőkítésére használt maró hatású anyag – spontán módon képződik közönséges, jóindulatú víz mikroszkopikus cseppjeiben. Azóta a kutatók arra törekednek, hogy kiderítsék, hogyan megy végbe az új reakció, valamint feltárják a lehetséges alkalmazásokat, például a környezetbarátabb tisztítási módszereket.

A legfrissebb tanulmány kimutatta, hogy amikor a kipermetezett mikrocseppek szilárd felülethez érnek, az érintkezési villamosítás néven ismert jelenség lép fel. Az elektromos töltés a két anyag, a folyékony és a szilárd anyag között ugrál, instabil molekuláris fragmentumokat hozva létre, amelyeket reaktív oxigénfajtáknak neveznek. Ezeknek a hidroxilgyököknek nevezett fajpárok, amelyek kémiai képlete OH, egyesülve hidrogén-peroxidot képezhetnek, H₂O₂apró, de kimutatható mennyiségben.

Az új tanulmány azt is kimutatta, hogy ez a folyamat nedves környezetben megy végbe, amikor a víz a talajrészecskéket, valamint a légkör finom részecskéit éri. Ezek a további eredmények arra utalnak, hogy a víz kis mennyiségben átalakulhat reaktív oxigénfajtákká, például hidrogén-peroxiddá, ahol mikrocseppek képződnek természetes módon, beleértve a ködöt, a ködöt és az esőcseppeket is, alátámasztva egy kapcsolódó, 2020-as tanulmány eredményeit.

“Most már valóban megértjük, hogy mi okozza ezt a hidrogén-peroxid képződést” – mondta Richard Zare, a szerző, Marguerite Blake Wilbur természettudományi professzor és a Stanford School of Humanities and Sciences kémia professzora. . “Ezen túlmenően úgy tűnik, hogy a hidrogén-peroxiddal történő érintkezési villamosítás univerzális jelenség a víz-szilárd határfelületeken.”

Zare vezette ezt a munkát, és együttműködött két kínai egyetem, a Jianghan Egyetem és a Wuhan Egyetem, valamint a Kínai Tudományos Akadémia kutatóival. A tanulmány augusztus 1-jén jelent meg a Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

A hidrogén-peroxid eredetéről

A tanulmányhoz a kutatók egy üvegeszközt építettek mikroszkopikus csatornákkal, amelybe erőszakkal vizet lehetett fecskendezni. Az árkok légmentes vízzáró határvonalat alkottak. A kutatók a vizet fluoreszkáló festékkel itatták át, amely hidrogén-peroxid jelenlétében világít. Egy kísérlet kimutatta az agresszív vegyszer jelenlétét az üveg mikrofluidikus csatornájában, de nem a festéket is tartalmazó vízmintában. További kísérletek azt mutatták, hogy a hidrogén-peroxid gyorsan, másodperceken belül képződött a víz és a szilárd anyag határán.

Annak mérésére, hogy a hidrogén-peroxidban lévő extra oxigénatom (H₂O₂) az üveggel vagy a vízben való reakcióból származik (H₂O) a kutatók maguk kezelték néhány mikrofluidikus csatorna üvegburkolatát. Ezek a kezelt csatornák az oxigén nehezebb izotópját vagy változatát, az oxigén-18 vagy . nevezett ¹⁸O. A kezelt és kezeletlen csatornákból származó víz és hidrogén-peroxid folyadék reakció utáni keverékének összehasonlítása azt mutatta, hogy ¹⁸O az elsőben, ami azt jelenti, hogy a szilárd anyag az oxigén forrása a hidroxilgyökökben és végül a hidrogén-peroxidban.

Az új eredmények segíthetnek megoldani néhány vitát, amely a tudományos közösségben azóta merült fel, hogy a Stanford-kutatók három évvel ezelőtt bejelentették a hidrogén-peroxid új kimutatását víz mikrocseppekben. Más tanulmányok rávilágítottak arra, hogy a hidrogén-peroxid-termelés jelentős mértékben hozzájárul az ózon gázzal való kémiai kölcsönhatásokhoz.₃és a kavitációnak nevezett folyamat, amikor a felgyorsított folyadékokban alacsony nyomású területeken gőzbuborékok képződnek. Zare rámutatott, hogy mindkét eljárás egyértelműen hidrogén-peroxidot ad, méghozzá viszonylag nagyobb mennyiségben.

“Ezek a folyamatok mindegyike hozzájárul a hidrogén-peroxid előállításához, de a jelenlegi munka megerősíti, hogy ez a termelés a mikrocseppek létrejöttének és a szilárd felületekkel való érintkezésnek a villamosítás révén történő kölcsönhatásában is lényeges” – mondta Zare.

A szezonális légúti vírusok táblázata

Zare magyarázata szerint annak megállapításával, hogy a víz hogyan és milyen helyzetekben alakítható át reaktív oxigénfajtákká, például hidrogén-peroxiddá, számos valós betekintést és alkalmazást kínál. Az egyik leglenyűgözőbb a hidroxilgyökök és a hidrogén-peroxid képződésének megértése, mint a sok vírusos légúti megbetegedés – köztük a közönséges megfázás, az influenza és a valószínűsíthető COVID-19 – ismert szezonalitásának figyelmen kívül hagyott tényezője, amint a betegség végül teljesen endémiássá válik.

A vírusos légúti fertőzések a levegőben vízcseppek formájában terjednek, amikor a betegek köhögnek, tüsszentenek, énekelnek vagy éppen beszélnek. Ezek a fertőzések általában télen tetőznek, és nyáron elhalványulnak, ami részben annak tudható be, hogy az emberek több időt töltenek zárt térben és közel, fertőző közelségben a hideg évszakban. A munka, az iskola és az éjszakai alvás között azonban az emberek nagyjából ugyanannyi időt töltenek bent a meleg időjárási hónapokban. Zare szerint az új tanulmány eredményei magyarázatot adnak arra, hogy a tél miért korrelál több influenzás esettel: A munkahelyen a legfontosabb változó a páratartalom, a levegőben lévő víz mennyisége. Nyáron a magasabb beltéri relatív páratartalom – a kinti meleg levegő magasabb páratartalmával párosulva – valószínűleg elegendő időt ad a cseppekben lévő reaktív oxigénfajtáknak a vírusok elpusztítására. Ezzel szemben télen, amikor az épületek levegője felmelegszik és a páratartalom csökken, a cseppek elpárolognak, mielőtt a reaktív oxigénfajták fertőtlenítőszerként működnének.

“A kontakt villamosítás kémiai alapot biztosít annak magyarázatára, hogy miért szezonálisak a vírusos légúti betegségek” – mondta Zare. Ennek megfelelően, tette hozzá Zare, a jövőbeli kutatásoknak fel kell tárniuk minden összefüggést az épületek beltéri páratartalma és a fertőzések jelenléte és terjedése között. Ha a kötszereket tovább rögzítik, akkor a fűtő-, szellőző- és hűtőrendszerek párásítókkal való kiegészítése csökkentheti a betegségek terjedését.

“A felületek fertőtlenítésének új megközelítése csak az egyik nagy gyakorlati következménye ennek a munkának, amely magában foglalja a víz alapvető kémiáját a környezetben” – mondta Zare. “Ez csak azt mutatja, hogy azt hisszük, sokat tudunk a vízről, az egyik legelterjedtebb anyagról, de aztán alázatosak vagyunk.”

Zare a Stanford Bio-X, a Cardiovascular Institute, a Stanford Cancer Institute, a Stanford ChEM-H, a Stanford Woods Institute for the Environment és a Wu Tsai Neurosciences Institute tagja is.