La formación de peróxido de hidrógeno en la interfase aire-agua en microgotas no es espontánea como se creía anteriormente, sino que es impulsada por el ozono. Crédito:KAUST
Una investigación exhaustiva realizada por investigadores de KAUST aclara las cosas sobre la formación de peróxido de hidrógeno en gotas de agua del tamaño de un micrómetro, o microgotas, y muestra que el ozono es la clave de esta transformación1,2.
La interfaz aire-agua es un sitio crucial para numerosos procesos naturales, domésticos e industriales, como el intercambio océano-atmósfera, la formación de nubes y rocío, las bebidas gaseosas y los biorreactores. Sin embargo, probar las transformaciones químicas en la interfaz aire-agua es un desafío debido a la falta de técnicas específicas de superficie o modelos computacionales.
Investigaciones recientes revelaron que el agua se transforma espontáneamente en peróxido de hidrógeno de 30 a 110 micromolar (H2 O2 ) en microgotas, obtenidas por condensación de vapor o rociado de agua con gas nitrógeno a presión. Por lo tanto, la comprensión de los libros de texto sobre el agua se ve desafiada por cómo las condiciones suaves de temperatura y presión, junto con la ausencia de catalizadores, codisolventes y una energía aplicada significativa, podrían romper los enlaces covalentes O-H. Se planteó la hipótesis de que este fenómeno inusual era el resultado de un campo eléctrico ultraalto en la interfaz aire-agua que ayuda a la formación de radicales OH, pero no se han informado pruebas directas.
Para profundizar más en este fenómeno, Himanshu Mishra reunió a un equipo que involucró a los ingenieros y dinámicos de fluidos computacionales Hong Im y Sigurdur Thoroddsen. "Los aerosoles son sistemas complejos que pueden generar ondas de choque y evaporación rápida; por lo tanto, comenzamos con microgotas de agua condensada", dice Mishra.
En colaboración con Ph.D. los estudiantes Adair Gallo Jr y Nayara Musskopf, el científico investigador Peng Zhang utilizó un ensayo ultrasensible basado en fluorescencia que puede detectar H2 acuoso O2 con un límite de detección casi 40 veces más bajo que el ensayo original. No encontraron H2 O2 en microgotas condensadas de agua caliente, pero hasta un micromolar H2 O2 en microgotas de humidificadores ultrasónicos comerciales. Con esta información clave, el equipo investigó los aerosoles.
Simulaciones por computadora del postdoctorado Xinlei Liu e imágenes de alta velocidad del Ph.D. el estudiante Ziqiang Yang demostró que las ondas de choque en forma de cuenco se formaban en los aerosoles, pero estas condiciones eran inadecuadas para transformar químicamente el agua en H2 O2 .
"Quedaban preguntas:¿de dónde salió el resto del H2 O2 provienen de las microgotas condensadas y rociadas investigadas en California, y ¿por qué no lo vimos en KAUST?" dice el autor principal Gallo Jr. Después de varios intentos fallidos de explicar el enigma, el equipo recurrió al ozono ambiental como un actor potencial en H2 O2 formación. "Tuve un momento Eureka mientras leía artículos de hace 40 años. Habían enumerado el ozono ambiental como un interferente en el H2 acuoso O2 medidas", explica Mishra.
Para controlar los niveles de ozono ambiental, los investigadores usaron un generador de ozono y mezclaron el gas resultante con gas nitrógeno antes de introducirlo en una guantera. Observaron que el aumento de la concentración de ozono mejoró H2 O2 formación. "Estábamos muy contentos porque esta era la respuesta", dice el coautor principal Musskopf.
Si bien las concentraciones de ozono ambiental permanecen por debajo de las dos partes por mil millones dentro de nuestra guantera, pueden superar las 80 partes por mil millones en California, según los registros recopilados por la Agencia de Protección Ambiental. Aunque el ozono se disuelve mínimamente en agua, el área de superficie mejorada de las microgotas permite que se disuelva más ozono y reaccione rápidamente para formar H2 O2 . "Tenía que haber algo relacionado con la geografía del lugar, una diferencia ambiental entre nuestra ubicación en Arabia Saudita y California, dice Gallo Jr.
Juntos, estos datos desmienten que el agua se transforma espontáneamente en H2 O2 en la interfase aire-agua. "Hemos defendido la química física de los libros de texto y lo que sabemos sobre el agua", concluye Mishra.
