Un nuevo estudio ha puesto una génesis química notable e inesperada sobre una base más sólida.

En 2019, los investigadores y colegas de la Universidad de Stanford revelaron el sorprendente descubrimiento de que el peróxido de hidrógeno, una sustancia cáustica utilizada para desinfectar superficies y decolorar el cabello, se forma espontáneamente en gotas microscópicas de agua común y benigna. Desde entonces, los investigadores se han propuesto desarrollar cómo se produce la nueva reacción, además de explorar aplicaciones potenciales, como métodos de limpieza más ecológicos.

El último estudio ha revelado que cuando las microgotas de agua rociadas golpean una superficie sólida, ocurre un fenómeno conocido como electrificación por contacto. La carga eléctrica salta entre los dos materiales, líquido y sólido, produciendo fragmentos moleculares inestables llamados especies reactivas de oxígeno. Pares de estas especies conocidas como radicales hidroxilo, y que tienen la fórmula química OH, pueden combinarse para formar peróxido de hidrógeno, H₂ O₂ , en cantidades minúsculas pero detectables.

El nuevo estudio demostró además que este proceso ocurre en ambientes húmedos cuando el agua toca partículas del suelo y partículas finas en la atmósfera. Esos hallazgos adicionales sugieren que el agua puede transformarse en pequeñas cantidades de especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, dondequiera que se formen naturalmente microgotas, incluso en nieblas, neblinas y gotas de lluvia, lo que refuerza los resultados de un estudio relacionado de 2020.

"Tenemos una comprensión real ahora que no teníamos antes sobre lo que está causando esta formación de peróxido de hidrógeno", dijo el autor principal del estudio, Richard Zare, profesor de Ciencias Naturales Marguerite Blake Wilbur y profesor de química en la Escuela de Stanford. de Humanidades y Ciencias. "Además, parece que la electrificación por contacto que produce peróxido de hidrógeno es un fenómeno universal en las interfaces agua-sólido".

Zare dirigió este trabajo, colaborando con investigadores de dos universidades en China, la Universidad de Jianghan y la Universidad de Wuhan, así como con la Academia de Ciencias de China. El estudio fue publicado el 1 de agosto en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Sobre los orígenes del peróxido de hidrógeno

Para el estudio, los investigadores construyeron un aparato de vidrio con canales microscópicos en los que se podía inyectar agua a la fuerza. Los canales formaron un límite sólido de agua hermético. Los investigadores perfundieron el agua con un tinte fluorescente que brilla en presencia de peróxido de hidrógeno. Un experimento mostró la presencia del químico agresivo en el canal de microfluidos de vidrio, pero no en una muestra a granel de agua que también contenía el tinte. Experimentos adicionales elaboraron que el peróxido de hidrógeno se formó rápidamente, en cuestión de segundos, en el límite entre el agua y el sólido.

Para medir si el átomo de oxígeno extra en el peróxido de hidrógeno (H₂ O₂ ) provino de una reacción con el vidrio o dentro del agua (H₂ O), los investigadores trataron el revestimiento de vidrio de algunos canales de microfluidos. Estos canales tratados contenían un isótopo más pesado o una versión del oxígeno, denominado oxígeno-18 o ¹⁸ . O. La comparación de la mezcla posterior a la reacción de agua y líquido de peróxido de hidrógeno de los canales tratados y no tratados mostró la señal de ¹⁸ O en el primero, lo que implica que el sólido es la fuente del oxígeno en los radicales hidroxilo y, en última instancia, en el peróxido de hidrógeno.

Los nuevos hallazgos podrían ayudar a resolver parte del debate que ha surgido en la comunidad científica desde que los investigadores de Stanford anunciaron inicialmente su novedosa detección de peróxido de hidrógeno en microgotas de agua hace tres años. Otros estudios han enfatizado las principales contribuciones de la producción de peróxido de hidrógeno a través de interacciones químicas con el gas ozono, O₃ , y un proceso llamado cavitación, cuando surgen burbujas de vapor en áreas de baja presión dentro de líquidos acelerados. Zare señaló que ambos procesos también producen claramente peróxido de hidrógeno, y en cantidades comparativamente mayores.

"Todos estos procesos contribuyen a la producción de peróxido de hidrógeno, pero el presente trabajo confirma que esta producción también es intrínseca a la forma en que se crean las microgotas e interactúan con las superficies sólidas a través de la electrificación por contacto", dijo Zare.

Cambiando las tornas sobre los virus respiratorios estacionales

Determinar cómo y en qué situaciones el agua puede transformarse en especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, tiene una gran cantidad de conocimientos y aplicaciones del mundo real, explicó Zare. Entre los más convincentes se encuentra la comprensión de la formación de radicales hidroxilo y peróxido de hidrógeno como un factor que se pasa por alto en la bien conocida estacionalidad de muchas enfermedades respiratorias virales, incluidos resfriados, gripes y probablemente COVID-19 una vez que la enfermedad finalmente se vuelve completamente endémica.

Las infecciones respiratorias virales se transmiten en el aire como gotitas acuosas cuando las personas enfermas tosen, estornudan, cantan o simplemente hablan. Estas infecciones tienden a aumentar en invierno y disminuir en verano, una tendencia atribuida en parte a que las personas pasan más tiempo en el interior y en una proximidad cercana y transmisible durante la temporada de clima frío. Sin embargo, entre el trabajo, la escuela y dormir por la noche, las personas también terminan pasando aproximadamente la misma cantidad de tiempo en el interior durante los meses de clima cálido. Zare dijo que los hallazgos del nuevo estudio ofrecen una posible explicación de por qué el invierno se correlaciona con más casos de gripe:la variable clave en el trabajo es la humedad, la cantidad de agua en el aire. En el verano, los niveles relativos más altos de humedad interior, vinculados a una mayor humedad en el aire cálido del exterior, probablemente faciliten que las especies reactivas de oxígeno en las gotas tengan tiempo suficiente para matar los virus. Por el contrario, en invierno, cuando el aire dentro de los edificios se calienta y se reduce su humedad, las gotas se evaporan antes de que las especies reactivas de oxígeno puedan actuar como desinfectante.

"La electrificación por contacto proporciona una base química para explicar en parte por qué hay estacionalidad en las enfermedades respiratorias virales", dijo Zare. En consecuencia, agregó Zare, la investigación futura debería investigar cualquier vínculo entre los niveles de humedad interior en los edificios y la presencia y propagación de contagios. Si los vínculos se confirman aún más, simplemente agregar humidificadores a los sistemas de calefacción, ventilación y refrigeración podría disminuir la transmisión de enfermedades.

"Adoptar un nuevo enfoque para desinfectar superficies es solo una de las grandes consecuencias prácticas de este trabajo que involucra la química fundamental del agua en el medio ambiente", dijo Zare. "Simplemente demuestra que creemos que sabemos mucho sobre el agua, una de las sustancias que se encuentran con más frecuencia, pero luego nos sentimos honrados".

Zare también es miembro de Stanford Bio-X, el Instituto Cardiovascular, el Instituto del Cáncer de Stanford, Stanford ChEM-H, el Instituto Stanford Woods para el Medio Ambiente y el Instituto de Neurociencias Wu Tsai. + Explora más

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