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Un nuovo studio ha messo una genesi chimica straordinaria e inaspettata su basi più solide.
Già nel 2019, ricercatori e colleghi della Stanford University hanno rivelato la sorprendente scoperta che il perossido di idrogeno, una sostanza caustica utilizzata per disinfettare le superfici e sbiancare i capelli, si forma spontaneamente in microscopiche goccioline di acqua normale e benigna. Da allora i ricercatori hanno cercato di approfondire come si verifica la nuova reazione, oltre a esplorare potenziali applicazioni, come metodi di pulizia più rispettosi dell'ambiente.
L'ultimo studio ha rivelato che quando microgoccioline d'acqua spruzzate colpiscono una superficie solida, si verifica un fenomeno noto come elettrificazione da contatto. La carica elettrica salta tra i due materiali, liquido e solido, producendo frammenti molecolari instabili chiamati specie reattive dell'ossigeno. Coppie di queste specie conosciute come radicali idrossilici, e che hanno la formula chimica OH, possono quindi combinarsi per formare perossido di idrogeno, H2 O2 , in quantità minuscole ma rilevabili.
Il nuovo studio ha inoltre dimostrato che questo processo si verifica in ambienti umidi quando l'acqua tocca particelle di suolo e particelle fini nell'atmosfera. Questi ulteriori risultati suggeriscono che l'acqua può trasformarsi in piccole quantità di specie reattive dell'ossigeno, come il perossido di idrogeno, ovunque si formino microgoccioline, comprese nebbie, nebbie e gocce di pioggia, rafforzando i risultati di uno studio correlato del 2020.
"Ora abbiamo una reale comprensione che non avevamo prima su ciò che sta causando questa formazione di perossido di idrogeno", ha affermato l'autore senior dello studio Richard Zare, professore di scienze naturali di Marguerite Blake Wilbur e professore di chimica alla Stanford School di Lettere e Scienze. "Inoltre, sembra che l'elettrificazione a contatto che produce perossido di idrogeno sia un fenomeno universale alle interfacce acqua-solido."
Zare ha condotto questo lavoro, collaborando con ricercatori di due università cinesi, la Jianghan University e la Wuhan University, nonché l'Accademia cinese delle scienze. Lo studio è stato pubblicato il 1 agosto negli Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Sulle origini del perossido di idrogeno
Per lo studio, i ricercatori hanno costruito un apparato di vetro con canali microscopici in cui l'acqua potrebbe essere iniettata con la forza. I canali formavano un confine solido d'acqua ermetico. I ricercatori hanno irrorato l'acqua con un colorante fluorescente che si illumina in presenza di perossido di idrogeno. Un esperimento ha mostrato la presenza della sostanza chimica aggressiva nel canale microfluidico di vetro, ma non in un campione sfuso di acqua contenente anche il colorante. Ulteriori esperimenti hanno elaborato che il perossido di idrogeno si è formato rapidamente, nel giro di pochi secondi, al confine tra l'acqua e il solido.
Per valutare se l'atomo di ossigeno in più nel perossido di idrogeno (H2 O2 ) proveniva da una reazione con il vetro o all'interno dell'acqua (H2 O) stesso, i ricercatori hanno trattato il rivestimento del vetro di alcuni canali microfluidici. Questi canali trattati contenevano un isotopo o una versione più pesante dell'ossigeno, soprannominato ossigeno-18 o 18 O. Il confronto della miscela post-reazione di acqua e perossido di idrogeno fluido dai canali trattati e non trattati ha mostrato il segnale di 18 O nel primo, implicando il solido come fonte di ossigeno nei radicali idrossilici e, infine, nel perossido di idrogeno.
Le nuove scoperte potrebbero aiutare a risolvere parte del dibattito che è seguito nella comunità scientifica da quando i ricercatori di Stanford hanno inizialmente annunciato il loro nuovo rilevamento del perossido di idrogeno nelle microgoccioline d'acqua tre anni fa. Altri studi hanno sottolineato i principali contributi della produzione di perossido di idrogeno attraverso interazioni chimiche con il gas ozono, O3 e un processo chiamato cavitazione, quando si formano bolle di vapore in aree a bassa pressione all'interno di liquidi accelerati. Zare ha sottolineato che entrambi questi processi producono chiaramente anche perossido di idrogeno e in quantità relativamente maggiori.
"Tutti questi processi contribuiscono alla produzione di perossido di idrogeno, ma il presente lavoro conferma che questa produzione è anche intrinseca al modo in cui le microgoccioline vengono prodotte e interagiscono con le superfici solide attraverso l'elettrificazione a contatto", ha affermato Zare.
Invertire la rotta sui virus respiratori stagionali
Chiarire come e in quali situazioni l'acqua può trasformarsi in specie reattive dell'ossigeno, come il perossido di idrogeno, ha una serie di intuizioni e applicazioni del mondo reale, ha spiegato Zare. Tra i più interessanti c'è la comprensione della formazione di radicali idrossilici e perossido di idrogeno come contributo trascurato alla ben nota stagionalità di molte malattie respiratorie virali, inclusi raffreddori, influenze e probabilmente COVID-19 una volta che la malattia alla fine diventa completamente endemica.
Le infezioni respiratorie virali vengono trasmesse nell'aria come goccioline acquose quando le persone malate tossiscono, starnutiscono, cantano o anche solo parlano. Queste infezioni tendono ad aumentare in inverno e diminuire in estate, una tendenza in parte dovuta al fatto che le persone trascorrono più tempo al chiuso e in prossimità trasmissibile durante la stagione fredda. Tuttavia, tra lavoro, scuola e dormire la notte, le persone finiscono per trascorrere la stessa quantità di tempo in casa anche durante i mesi caldi. Zare ha affermato che i risultati del nuovo studio offrono una possibile spiegazione del motivo per cui l'inverno è correlato a più casi di influenza:la variabile chiave sul lavoro è l'umidità, la quantità di acqua nell'aria. In estate, i livelli relativi più elevati di umidità interna, legati alla maggiore umidità nell'aria calda esterna, probabilmente facilitano le specie reattive dell'ossigeno nelle goccioline che hanno abbastanza tempo per uccidere i virus. Al contrario, in inverno, quando l'aria all'interno degli edifici viene riscaldata e la sua umidità si abbassa, le goccioline evaporano prima che le specie reattive dell'ossigeno possano agire come disinfettanti.
"L'elettrificazione dei contatti fornisce una base chimica per spiegare in parte perché c'è stagionalità nelle malattie respiratorie virali", ha affermato Zare. Di conseguenza, ha aggiunto Zare, la ricerca futura dovrebbe indagare su eventuali collegamenti tra i livelli di umidità interna negli edifici e la presenza e la diffusione di contagi. Se i collegamenti sono ulteriormente confermati, la semplice aggiunta di umidificatori ai sistemi di riscaldamento, ventilazione e raffreddamento potrebbe ridurre la trasmissione di malattie.
"Adottare un nuovo approccio alla disinfezione delle superfici è solo una delle grandi conseguenze pratiche di questo lavoro che coinvolge la chimica fondamentale dell'acqua nell'ambiente", ha affermato Zare. "Dimostra solo che pensiamo di sapere così tanto sull'acqua, una delle sostanze più comuni, ma poi siamo umiliati."
Zare è anche membro di Stanford Bio-X, Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute, Stanford ChEM-H, Stanford Woods Institute for the Environment e Wu Tsai Neurosciences Institute. + Esplora ulteriormente
