La formazione di perossido di idrogeno all'interfaccia aria-acqua in microgoccioline non è spontanea come si credeva in precedenza, ma è invece guidata dall'ozono. Credito:KAUST
Un'indagine completa dei ricercatori KAUST mette le cose in chiaro sulla formazione di perossido di idrogeno in goccioline d'acqua di dimensioni micrometriche, o microgoccioline, e mostra che l'ozono è la chiave di questa trasformazione1,2.
L'interfaccia aria-acqua è un sito cruciale per numerosi processi naturali, domestici e industriali come lo scambio oceano-atmosfera, la formazione di nuvole e rugiada, bevande gassate e bioreattori. Tuttavia, sondare le trasformazioni chimiche all'interfaccia aria-acqua è impegnativo a causa della mancanza di tecniche o modelli computazionali specifici per la superficie.
Ricerche recenti hanno rivelato che l'acqua si trasforma spontaneamente in perossido di idrogeno di 30–110 micromolari (H2 O2 ) in microgoccioline, ottenute per condensazione di vapore o per nebulizzazione di acqua mediante azoto in pressione. La comprensione da manuale dell'acqua è quindi messa in discussione da come le condizioni di temperatura e pressione miti, insieme all'assenza di catalizzatori, co-solventi e una significativa energia applicata, potrebbero rompere i legami O–H covalenti. È stato ipotizzato che questo fenomeno insolito fosse il risultato di un campo elettrico ultraelevato all'interfaccia aria-acqua che aiuta la formazione di radicali OH, ma non è stata riportata alcuna prova diretta.
Per approfondire questo fenomeno, Himanshu Mishra ha riunito un team che ha coinvolto i dinamici dei fluidi computazionali e gli ingegneri Hong Im e Sigurdur Thoroddsen. "Gli spray sono sistemi complessi che possono comportare onde d'urto e rapida evaporazione; quindi, abbiamo iniziato con microgoccioline di acqua condensata", afferma Mishra.
In collaborazione con Ph.D. gli studenti Adair Gallo Jr e Nayara Musskopf, il ricercatore Peng Zhang hanno utilizzato un test ultrasensibile basato sulla fluorescenza in grado di rilevare H2 acquoso O2 con un limite di rilevamento quasi 40 volte inferiore rispetto al test originale. Non hanno trovato H2 O2 in microgocce condensate da acqua calda, ma fino a un micromolare H2 O2 in microgocce di umidificatori ad ultrasuoni commerciali. Con questa intuizione chiave, il team ha studiato gli spray.
Simulazioni al computer del dottor Xinlei Liu e imaging ad alta velocità del dottorato di ricerca. lo studente Ziqiang Yang ha dimostrato che le onde d'urto a forma di ciotola si formavano negli spruzzi, ma queste condizioni erano inadeguate per trasformare chimicamente l'acqua in H2 O2 .
"Rimanevano domande:dov'era finito il resto di H2 O2 provengono dalle microgoccioline condensate e spruzzate studiate in California, e perché non l'abbiamo visto a KAUST?", afferma l'autore principale Gallo Jr. Dopo diversi tentativi falliti di spiegare l'enigma, il team si è rivolto all'ozono ambientale come potenziale attore in H2 O2 formazione. "Ho avuto un momento Eureka mentre leggevo articoli di 40 anni fa. Avevano elencato l'ozono ambientale come un interferente nell'H2 acquoso O2 misurazioni", spiega Mishra.
Per controllare i livelli di ozono nell'ambiente, i ricercatori hanno utilizzato un generatore di ozono e hanno miscelato il gas risultante con azoto prima di introdurlo in un vano portaoggetti. Hanno osservato che l'aumento della concentrazione di ozono aumentava H2 O2 formazione. "Eravamo così felici perché questa era la risposta", afferma il co-autore principale Musskopf.
Sebbene le concentrazioni di ozono nell'ambiente rimangano al di sotto delle due parti per miliardo all'interno del nostro vano portaoggetti, possono superare le 80 parti per miliardo in California, secondo i registri raccolti dall'Agenzia per la protezione ambientale. Sebbene l'ozono si dissolva minimamente nell'acqua, la maggiore superficie delle microgoccioline consente di dissolvere una maggiore quantità di ozono e di reagire rapidamente per formare H2 O2 . "Ci doveva essere qualcosa legato alla geografia del luogo, una differenza ambientale tra la nostra posizione in Arabia Saudita e la California, dice Gallo Jr.
Insieme, questi dati smentiscono che l'acqua si trasforma spontaneamente in H2 O2 all'interfaccia aria-acqua. "Abbiamo difeso la chimica fisica da manuale e ciò che sappiamo sull'acqua", conclude Mishra.
