Die Forschung zeigt die chemischen Grundlagen dafür, wie sich gutartiges Wasser in aggressives Wasserstoffperoxid verwandeln kann

Eine neue Studie hat eine bemerkenswerte und unerwartete chemische Genese auf eine solidere Grundlage gestellt.

Bereits im Jahr 2019 enthüllten Forscher und Kollegen der Stanford University die überraschende Entdeckung, dass sich Wasserstoffperoxid – eine ätzende Substanz, die zur Desinfektion von Oberflächen und zum Bleichen von Haaren verwendet wird – spontan in mikroskopisch kleinen Tröpfchen aus gewöhnlichem, gutartigem Wasser bildet. Die Forscher haben sich seitdem zum Ziel gesetzt, den Ablauf der neu entdeckten Reaktion zu konkretisieren und potenzielle Anwendungen wie umweltfreundlichere Reinigungsmethoden zu untersuchen.

Die neueste Studie hat gezeigt, dass beim Auftreffen von versprühten Mikrowassertröpfchen auf eine feste Oberfläche ein Phänomen auftritt, das als Kontaktelektrisierung bekannt ist. Elektrische Ladung springt zwischen den beiden Materialien, flüssig und fest, und erzeugt instabile Molekülfragmente, die als reaktive Sauerstoffspezies bezeichnet werden. Paare dieser Spezies, die als Hydroxylradikale bekannt sind und die chemische Formel OH haben, können sich dann in winzigen, aber nachweisbaren Mengen zu Wasserstoffperoxid, H2O2, verbinden.

Die neue Studie zeigte weiter, dass dieser Prozess in feuchten Umgebungen stattfindet, wenn Wasser sowohl Bodenpartikel als auch Feinpartikel in der Atmosphäre berührt. Diese zusätzlichen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Wasser in kleine Mengen reaktiver Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid umwandeln kann, wo immer sich auf natürliche Weise Mikrotröpfchen bilden, einschließlich in Nebel, Dunst und Regentropfen, was die Ergebnisse einer verwandten Studie aus dem Jahr 2020 untermauert.

„Wir haben jetzt ein wirkliches Verständnis darüber, was diese Wasserstoffperoxidbildung verursacht, was wir vorher nicht hatten“, sagte der leitende Autor der Studie, Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor für Naturwissenschaften und Professor für Chemie an der Stanford School der Geistes- und Naturwissenschaften. „Darüber hinaus scheint die Kontaktelektrisierung zu Wasserstoffperoxid ein universelles Phänomen an Wasser-Feststoff-Grenzflächen zu sein.“

Zare leitete diese Arbeit und arbeitete mit Forschern von zwei Universitäten in China, der Jianghan University und der Wuhan University, sowie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen. Die Studie wurde am 1. August im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Über die Herkunft des Wasserstoffperoxids

Für die Studie bauten die Forscher eine Glasapparatur mit mikroskopisch kleinen Kanälen darin, wo Wasser zwangsweise injiziert werden konnte. Die Kanäle bildeten eine luftdichte Wasser-Feststoff-Grenze. Die Forscher perfundierten das Wasser mit einem fluoreszierenden Farbstoff, der in Gegenwart von Wasserstoffperoxid leuchtet. Ein Experiment zeigte das Vorhandensein der aggressiven Chemikalie im mikrofluidischen Glaskanal, aber nicht in einer großen Wasserprobe, die auch den Farbstoff enthielt. Weitere Experimente ergaben, dass sich das Wasserstoffperoxid schnell, innerhalb von Sekunden, an der Grenze zwischen Wasser und Feststoff bildete.

Um festzustellen, ob das zusätzliche Sauerstoffatom im Wasserstoffperoxid (H2O2) aus einer Reaktion mit dem Glas oder im Wasser (H2O) selbst stammte, behandelten die Forscher die Glasauskleidung einiger mikrofluidischer Kanäle. Diese behandelten Kanäle enthielten ein schwereres Isotop oder eine Version von Sauerstoff, genannt Sauerstoff-18 oder 18O. Ein Vergleich der Nachreaktionsmischung aus Wasser und Wasserstoffperoxidflüssigkeit aus den behandelten und unbehandelten Kanälen zeigte das Signal von 18O in ersterem, was den Feststoff als Quelle des Sauerstoffs in den Hydroxylradikalen und schließlich in Wasserstoffperoxid impliziert.

Die neuen Ergebnisse könnten dazu beitragen, einen Teil der Debatte zu schlichten, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geführt hat, seit die Stanford-Forscher vor drei Jahren erstmals ihren neuartigen Nachweis von Wasserstoffperoxid in Wassermikrotröpfchen angekündigt hatten. Andere Studien haben die Hauptbeiträge der Wasserstoffperoxidproduktion über chemische Wechselwirkungen mit dem Gas Ozon, O3, und einen Prozess namens Kavitation betont, wenn Dampfblasen in Niederdruckbereichen innerhalb beschleunigter Flüssigkeiten entstehen. Zare wies darauf hin, dass beide Prozesse auch eindeutig Wasserstoffperoxid liefern, und zwar in vergleichsweise größeren Mengen.

„Alle diese Prozesse tragen zur Wasserstoffperoxidproduktion bei, aber die vorliegende Arbeit bestätigt, dass diese Produktion auch intrinsisch für die Art und Weise ist, wie Mikrotröpfchen hergestellt werden und durch Kontaktelektrisierung mit festen Oberflächen interagieren“, sagte Zare.

Den Spieß umdrehen bei saisonalen Atemwegsviren

Festzunageln, wie und in welchen Situationen sich Wasser in reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid umwandeln kann, hat eine Vielzahl von Erkenntnissen und Anwendungen aus der realen Welt, erklärte Zare. Zu den überzeugendsten gehört das Verständnis der Bildung von Hydroxylradikalen und Wasserstoffperoxid als übersehener Beitrag zur bekannten Saisonalität vieler viraler Atemwegserkrankungen, einschließlich Erkältungen, Grippe und wahrscheinlich COVID-19, sobald die Krankheit schließlich vollständig endemisch wird.

Virusinfektionen der Atemwege werden als wässrige Tröpfchen in der Luft übertragen, wenn Erkrankte husten, niesen, singen oder auch nur sprechen. Diese Infektionen nehmen im Winter tendenziell zu und ebben im Sommer ab, ein Trend, der teilweise darauf zurückzuführen ist, dass Menschen während der kalten Jahreszeit mehr Zeit in Innenräumen und in unmittelbarer, übertragbarer Nähe verbringen. Zwischen Arbeit, Schule und Nachtschlaf verbringen die Menschen jedoch auch in den Monaten mit heißem Wetter ungefähr die gleiche Zeit in Innenräumen. Zare sagte, die Ergebnisse der neuen Studie bieten eine mögliche Erklärung dafür, warum der Winter mit mehr Grippefällen korreliert: Die Schlüsselvariable bei der Arbeit ist die Luftfeuchtigkeit, die Menge an Wasser in der Luft. Im Sommer erleichtert die höhere relative Luftfeuchtigkeit in Innenräumen – verbunden mit einer höheren Luftfeuchtigkeit in der warmen Außenluft – wahrscheinlich, dass reaktive Sauerstoffspezies in Tröpfchen genügend Zeit haben, um Viren abzutöten. Im Gegensatz dazu verdunsten die Tröpfchen im Winter – wenn die Luft in Gebäuden erwärmt und ihre Luftfeuchtigkeit gesenkt wird – bevor die reaktiven Sauerstoffspezies als Desinfektionsmittel wirken können.

„Die Kontaktelektrifizierung liefert eine chemische Grundlage, um teilweise zu erklären, warum virale Atemwegserkrankungen saisonal bedingt sind“, sagte Zare. Dementsprechend, fügte Zare hinzu, sollten zukünftige Forschungen alle Zusammenhänge zwischen der Innenfeuchtigkeit in Gebäuden und dem Vorhandensein und der Ausbreitung von Ansteckungen untersuchen. Wenn die Zusammenhänge weiter bestätigt werden, könnte das einfache Hinzufügen von Luftbefeuchtern zu Heizungs-, Lüftungs- und Kühlsystemen die Übertragung von Krankheiten verringern.

„Ein neuer Ansatz zur Desinfektion von Oberflächen ist nur eine der großen praktischen Konsequenzen dieser Arbeit, die sich mit der grundlegenden Chemie des Wassers in der Umwelt befasst“, sagte Zare. „Es zeigt nur, dass wir denken, dass wir so viel über Wasser wissen, eine der am häufigsten vorkommenden Substanzen, aber dann sind wir demütig.“

Zare ist außerdem Mitglied von Stanford Bio-X, dem Cardiovascular Institute, dem Stanford Cancer Institute, Stanford ChEM-H, dem Stanford Woods Institute for the Environment und dem Wu Tsai Neurosciences Institute.