05.08.2022 - Stanford University

Wie sich harmloses Wasser in aggressives Wasserstoffperoxid verwandelt

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

Im Jahr 2019 machten Forscher der Stanford University und Kollegen 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 normalem, harmlosem Wasser bildet. Seitdem versuchen die Forscher herauszufinden, wie die neu entdeckte Reaktion abläuft, und erforschen mögliche Anwendungen, wie etwa umweltfreundlichere Reinigungsmethoden.

Die jüngste Studie hat gezeigt, dass beim Auftreffen von Mikrotröpfchen aus Wasser auf eine feste Oberfläche ein Phänomen auftritt, das als Kontaktelektrisierung bezeichnet wird. Die elektrische Ladung springt zwischen den beiden Materialien - Flüssigkeit und Festkörper - hin und her und erzeugt instabile Molekülfragmente, so genannte reaktive Sauerstoffspezies. 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 hat außerdem gezeigt, dass dieser Prozess in feuchten Umgebungen stattfindet, wenn Wasser mit Bodenpartikeln sowie mit feinen Partikeln in der Atmosphäre in Berührung kommt. Diese zusätzlichen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich Wasser überall dort in kleine Mengen reaktiver Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid umwandeln kann, wo sich auf natürliche Weise Mikrotröpfchen bilden, also auch in Nebel, Dunst und Regentropfen, und untermauern damit die Ergebnisse einer entsprechenden Studie aus dem Jahr 2020.

"Wir haben jetzt ein echtes Verständnis dafür, was diese Wasserstoffperoxidbildung verursacht, das wir vorher nicht hatten", sagte der Hauptautor der Studie, Richard Zare, der Marguerite Blake Wilbur Professor in Naturwissenschaften und Professor für Chemie an der Stanford School of Humanities and Sciences. "Außerdem scheint es, dass die Kontaktelektrifizierung, bei der Wasserstoffperoxid entsteht, ein universelles Phänomen an Wasser-Festkörper-Grenzflächen ist".

Zare leitete diese Arbeit und arbeitete mit Forschern von zwei Universitäten in China, der Jianghan Universität und der Wuhan Universität, sowie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen.

Über den Ursprung des Wasserstoffperoxids

Für die Studie bauten die Forscher eine Glasapparatur mit mikroskopisch kleinen Kanälen, in die sie mit Gewalt Wasser einspritzen konnten. Die Kanäle bildeten eine luftdichte Wasser-Feststoff-Grenze. Die Forscher durchströmten das Wasser mit einem fluoreszierenden Farbstoff, der in Gegenwart von Wasserstoffperoxid leuchtet. Ein Experiment zeigte das Vorhandensein der aggressiven Chemikalie in den mikrofluidischen Glaskanälen, aber nicht in einer Wasserprobe, die ebenfalls den Farbstoff enthielt. Weitere Experimente ergaben, dass sich das Wasserstoffperoxid schnell, innerhalb weniger Sekunden, an der Grenze zwischen dem Wasser und dem Feststoff bildete.

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

Die neuen Ergebnisse könnten dazu beitragen, einen Teil der Debatte zu klären, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft entstanden ist, seit die Stanford-Forscher vor drei Jahren ihren neuartigen Nachweis von Wasserstoffperoxid in Wassertröpfchen bekannt gaben. In anderen Studien wurde betont, dass Wasserstoffperoxid vor allem durch chemische Wechselwirkungen mit dem Gas Ozon (O3) und durch einen als Kavitation bezeichneten Prozess erzeugt wird, bei dem Dampfblasen in Niederdruckbereichen in beschleunigten Flüssigkeiten entstehen. Zare wies darauf hin, dass bei diesen beiden Prozessen ebenfalls Wasserstoffperoxid entsteht, und zwar in vergleichsweise größeren Mengen.

"Alle diese Prozesse tragen zur Wasserstoffperoxidproduktion bei, aber die vorliegende Arbeit bestätigt, dass diese Produktion auch durch die Art und Weise bedingt ist, wie Mikrotröpfchen gebildet werden und mit festen Oberflächen durch Kontaktelektrifizierung interagieren", so Zare.

Den Spieß umdrehen bei saisonalen Atemwegsviren

Wenn man herausfindet, wie und in welchen Situationen sich Wasser in reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid umwandeln kann, ergeben sich zahlreiche Erkenntnisse und Anwendungen für die Praxis, erklärt Zare. Zu den interessantesten gehört das Verständnis der Bildung von Hydroxylradikalen und Wasserstoffperoxid als ein übersehener Faktor, der zur bekannten Saisonalität vieler viraler Atemwegserkrankungen beiträgt, darunter Erkältungen, Grippe und wahrscheinlich COVID-19, sobald die Krankheit endemisch wird.

Virale Atemwegsinfektionen werden über die Luft in Form von Wassertröpfchen übertragen, wenn kranke Menschen husten, niesen, singen oder auch nur sprechen. Diese Infektionen nehmen im Winter zu und nehmen im Sommer ab, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass die Menschen in der kalten Jahreszeit mehr Zeit in geschlossenen Räumen und in unmittelbarer Nähe zueinander verbringen, wo sie sich anstecken können. Zwischen Arbeit, Schule und Nachtruhe verbringen die Menschen jedoch auch in den warmen Monaten etwa gleich viel Zeit in Innenräumen. Laut Zare bieten die Ergebnisse der neuen Studie eine mögliche Erklärung dafür, warum der Winter mit mehr Grippefällen in Verbindung gebracht wird: Die Schlüsselvariable ist die Luftfeuchtigkeit, d. h. die Menge an Wasser in der Luft. Im Sommer sorgt die höhere relative Luftfeuchtigkeit in Innenräumen - verbunden mit der höheren Luftfeuchtigkeit in der warmen Außenluft - wahrscheinlich dafür, dass reaktive Sauerstoffspezies in den Tröpfchen genügend Zeit haben, Viren abzutöten. Im Winter hingegen - wenn die Luft in den Gebäuden erwärmt und die Luftfeuchtigkeit gesenkt wird - verdampfen die Tröpfchen, bevor die reaktiven Sauerstoffspezies als Desinfektionsmittel wirken können.

"Die Kontaktelektrifizierung bietet eine chemische Grundlage, die teilweise erklärt, warum virale Atemwegserkrankungen saisonal bedingt sind", so Zare. Dementsprechend, fügte Zare hinzu, sollten künftige Forschungsarbeiten etwaige Zusammenhänge zwischen der Luftfeuchtigkeit in Gebäuden und dem Vorhandensein und der Verbreitung von Infektionskrankheiten untersuchen. Sollten sich diese Zusammenhänge bestätigen, könnte die Übertragung von Krankheiten durch den Einbau von Luftbefeuchtern in Heizungs-, Lüftungs- und Kühlsysteme verringert werden.

"Eine neue Herangehensweise an die Desinfektion von Oberflächen ist nur eine der großen praktischen Konsequenzen dieser Arbeit, die sich mit der grundlegenden Chemie des Wassers in der Umwelt befasst", so Zare. "Es zeigt einfach, dass wir glauben, so viel über Wasser, eine der am häufigsten vorkommenden Substanzen, zu wissen, aber dann sind wir bescheiden."

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