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一种神奇的现象,让水自动变成双氧水

发布日期:2022-08-09 11:16    点击次数:175

早在 2019 年,斯坦福大学的研究人员揭示了一项令人惊讶的发现。团队注意到,过氧化氢(H O ,俗称双氧水),也就是一种常用于消毒表面或者漂白头发的腐蚀性物质,会在平平无奇的水(H O)的微观液滴中自发形成。

此后,科学家一直在努力探索这种反应是如何发生的,以及它的一些潜在应用,比如可能带来的更环保的清洁方法。

直到近期,一项由美国斯坦福大学、中国江汉大学、武汉大学,以及中国科学院的研究人员合作最新的研究显示,当喷出的水的微液滴碰到固体表面时,会产生一种被称为接触起电的现象。

电荷在液体和固体两种材料之间跳跃,从而产生不稳定的分子碎片,也叫活性氧类(ROS)。这些被称为羟自由基(OH)的分子碎片,随后可以成对结合形成过氧化氢,虽然数量极少,但可以检测得到。

这项新研究进一步证明,产生过氧化氢的接触起电似乎是水 - 固体界面的一个普遍现象。当水接触到土壤颗粒以及大气中的细小颗粒时,这一过程就会潮湿的环境中发生。在自然形成的微液滴的任何地方,比如雾气和雨滴中,水都可以转化为少量的活性氧类,过氧化氢就是其中一个典型例子。

这项研究让科学家对是什么导致了这种过氧化氢的形成有了前所未有的深入了解。论文已于近日发表在《美国国家科学院院刊》上。

过氧化氢的来源

为了进行这项研究,研究人员制作了一个玻璃仪器,其中有可以注入水的微型通道。这些通道形成了一个密闭的水 - 固边界。

团队用灌入了水和一种在过氧化氢存在时就会发光的荧光染料。一项实验显示,在玻璃微流控通道中存在这种刺激性的化学物质,但在同样含有该染料的大量水样本中却不存在。而更多实验表明,过氧化氢在几秒钟内就会在水和固体之间的边界迅速形成。

为了衡量 H O 中的额外氧原子究竟是来自与玻璃的反应,还是来自 H O 本身,研究人员接着对一些微流控通道的玻璃内衬进行了处理。

这些处理过的通道含有一种更重的氧的同位素,被称为氧 -18 或 ¹ O。通过比较来自处理过的和未处理过的通道的水和过氧化氢流体的反应后混合物,结果显示,前者包含着 ¹ O 的信号,这暗示着,固体正是羟自由基中的氧的来源,并最终出现在过氧化氢中。

新的发现可能有助于解决科学界的一些争论。其他一些研究强调,过氧化氢的产生主要是通过与臭氧气体(O )的化学作用,以及一个叫作空化的过程,也就是在加速的液体中的低压区域产生蒸汽气泡。而现在研究人员则指出,两个过程都会明显产生过氧化氢,而且量相对较大。

换句话说,所有这些过程都有助于过氧化氢的产生,但目前的研究证实,这种产生同样来自内在因素,微液滴通过接触起电与固体表面相互作用。

季节性呼吸道病毒

研究人员相信,这项研究成果实际上有着应用的巨大前景。

当生病的人咳嗽、打喷嚏、唱歌,甚至只是说话时,病毒性呼吸道感染会以液滴形式通过空气传播。这些感染往往在冬季激增,而在夏季减弱,这种趋势部分是由于人们在寒冷的季节会花上更多的时间在近距离的、可传播的室内。

然而,对于工作、学习和睡眠这些部分,人们实际上在炎热天气的几个月中在室内花费的时间也差不多一样多。而新研究的发现为冬季与更多流感病例的相关原因提供了一种可能的解释。

在这种情况下,起作用的关键变量是湿度,也就是空气中的水含量。在夏季,较高的室内相对湿度水平(与室外温暖空气中较高的湿度有关)可能有助于液滴中的活性氧有足够的时间杀死病毒。与此相反,在冬季,当建筑物内的空气被加热且湿度降低时,液滴在活性氧类能够作为消毒剂发挥作用之前就已经被蒸发了。

接触起电提供了一个化学基础,可以部分解释为什么病毒性呼吸道疾病具有季节性的特征。因此,未来的研究还计划调查建筑物中的室内湿度水平与传染病的存在和传播之间的联系。