La foto muestra un condensado de microgotas de agua formado en la superficie de un recipiente de vidrio que contiene agua fría (izquierda) y una imagen de microgotitas de agua formadas en una superficie de silicio pulido (derecha). Crédito:Jae Kyoo Lee y Hyun Soo Han
En su forma líquida a granel, ya sea en una bañera o en un océano, el agua es una sustancia relativamente benigna con poca actividad química. Pero en la escala de pequeñas gotas el agua puede volverse sorprendentemente reactiva, Los investigadores de Stanford lo han descubierto.
En microgotas de agua, apenas millonésimas de metro de ancho, una porción de la H 2 Las moléculas de O presentes pueden convertirse en un pariente químico cercano, peróxido de hidrógeno, H 2 O 2 , un químico fuerte comúnmente usado como desinfectante y agente blanqueador del cabello.
Los científicos de Stanford informaron por primera vez de este comportamiento inesperado en microgotas de agua rociadas a la fuerza el año pasado. Ahora en un nuevo estudio, El equipo de investigación ha demostrado que ocurre la misma transformación de Jekyll-and-Hyde cuando las microgotas simplemente se condensan del aire en superficies frías. Los nuevos resultados sugieren que la transformación del agua oxigenada es un fenómeno general, ocurriendo en nieblas, nieblas gotas de lluvia y dondequiera que se formen microgotas de forma natural.
El sorprendente descubrimiento podría conducir a métodos más ecológicos para desinfectar superficies o promover reacciones químicas. "Hemos demostrado que el proceso de formación de peróxido de hidrógeno en las gotas de agua es un fenómeno generalizado y sorprendente que está sucediendo justo debajo de nuestras narices, "dijo el autor principal del estudio, Richard Zare, la profesora Marguerite Blake Wilbur de Ciencias Naturales y profesora de química en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford.
Los investigadores también especulan que esta capacidad química recientemente reconocida del agua podría haber jugado un papel clave en el impulso de la química de la vida en la Tierra hace miles de millones de años. además de producir el primer oxígeno atmosférico de nuestro planeta antes de que surgiera la vida. "Esta producción espontánea de peróxido de hidrógeno puede ser una parte perdida de la historia de cómo se formaron los componentes básicos de la vida en los primeros tiempos, "Dijo Zare.
Los coautores principales del nuevo estudio, publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , son los científicos del personal de Stanford, Jae Kyoo Lee y Hyun Soo Han.
Junto con Zare y otros colegas de Stanford, Lee y Han hicieron el descubrimiento inicial de la producción de peróxido de hidrógeno en microgotas de agua el año pasado. Algunos investigadores externos que revisaron los resultados del estudio se mostraron escépticos, Zare dijo, que un fenómeno tan potencialmente común podría no haber sido descubierto durante tanto tiempo. También se produjo un debate sobre cómo se formaría realmente el peróxido de hidrógeno.
"El argumento era que la gente ha estado estudiando los aerosoles de agua durante años, y, por supuesto, el agua es omnipresente y se ha estudiado intensamente desde los albores de la ciencia moderna, así que si esta formación de peróxido de hidrógeno en microgotas fuera real, seguramente alguien ya lo hubiera visto, ", dijo Zare." Eso nos llevó a querer explorar más el fenómeno, para ver en qué otras circunstancias podría ocurrir, así como aprender más sobre la química fundamental que está sucediendo ".
Microgotitas hechas de otra manera
Zare y sus colegas decidieron investigar la condensación, un escenario en el que las microgotas se forman fácilmente de forma natural, sin la ayuda de una fuerza externa como un instrumento nebulizador. La condensación ocurre cuando el vapor de agua (gas) en el aire se convierte en líquido al entrar en contacto con una superficie más fría; por ejemplo, cuando el espejo del baño se empaña después de una ducha.
El equipo de Stanford condensó agua en múltiples materiales refrigerados, incluido el silicio, vidrio, plástico y metal. Luego, los investigadores limpiaron una tira reactiva que cambia de color en presencia de peróxido de hidrógeno sobre el agua condensada. Bastante seguro, la tira se volvió azul. Lo bajo, las cantidades aún detectables de peróxido de hidrógeno (del orden de partes por millón) que se formaron variaron en función de factores como la temperatura de la superficie y la humedad relativa en la cámara de prueba. Los investigadores también notaron que el peróxido de hidrógeno formado en las microgotitas se diluía a medida que aumentaba el tamaño de las gotas de agua. lo que podría explicar por qué esta transformación química se había pasado por alto durante tanto tiempo.
Los nuevos experimentos también apoyan la hipótesis inicial de los investigadores sobre cómo se estaba formando el peróxido de hidrógeno. Demostraron que un fuerte campo eléctrico generado en la interfaz del agua y el aire, justo en la periferia de la microgotita, parece activar las moléculas de agua, formando varias especies de oxígeno llamadas reactivas. Estas especies son fragmentos moleculares inestables que pueden reaccionar rápidamente con otras moléculas para producir peróxido de hidrógeno.
Un proceso siempre con nosotros y mucho antes que nosotros
La química de este tipo a nivel de microgotas podría haber potenciado la transición química de la no vida a la vida en la Tierra hace más de cuatro eones, Dijo Zare. El origen de la vida tiene una especie de dilema del huevo o la gallina, donde las moléculas de catalizador que aceleran las reacciones químicas, y que parecen necesarios para reactivar la química de la vida, requiere la vida misma para fabricar las moléculas catalizadoras en primer lugar. Pero la creación natural de peróxido de hidrógeno podría haber promovido reacciones que condujeron a los bloques de construcción moleculares que finalmente se ensamblaron en complejos, entidades autorreplicantes.
Zare especula que esta reacción química antigua y extendida podría haber proporcionado incluso una fuente de oxígeno para la vida temprana (ya que el peróxido de hidrógeno se descompone en moléculas de agua y oxígeno) antes de la aparición de organismos que podrían producir oxígeno por sí mismos a través de la fotosíntesis.
El equipo de Zare está estudiando actualmente cómo se podría aprovechar la producción de peróxido de hidrógeno a través de microgotas para fines de limpieza y desinfección. Una posibilidad intrigante, Zare sugiere, está usando microgotas y su asistente H 2 O 2 para eliminar el SARS-CoV-2 (el virus que causa COVID-19) de las superficies.
"Con este nuevo estudio y nuestro trabajo continuo, estamos explicando cómo y por qué las gotas de agua son tan marcadamente diferentes del agua a granel en términos de reactividad química, ", dijo Zare." Es sorprendente que, en términos de química, el agua todavía tiene algunos trucos bajo la manga ".
