Ricercatori e colleghi della Stanford University già nel 2019 hanno rivelato la sorprendente scoperta che il perossido di idrogeno (acqua ossigenata) utilizzato per decolorare i capelli o disinfettare le ferite, si forma spontaneamente in microscopiche goccioline di acqua normale. I ricercatori da allora hanno mirato a approfondire il modo in cui si verifica la nuova reazione, oltre a esplorare potenziali applicazioni, come metodi di pulizia più rispettosi dell’ambiente.
L’ultimo studio ha rivelato che quando le microgoccioline d’acqua spruzzate su una superficie solida, si verifica un fenomeno noto come elettrificazione a contatto. La carica elettrica salta tra i due materiali, liquido e solido, producendo frammenti molecolari instabili chiamati specie reattive dell’ossigeno. Coppie di queste specie note come radicali idrossilici, e che hanno la formula chimica OH, possono quindi combinarsi per formare perossido di idrogeno (formula chimica H2O2), in minuscole ma rilevabili quantità.
Il nuovo studio pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS), inoltre ha dimostrato che questo processo si verifica in ambienti umidi quando l’acqua tocca particelle di suolo e particelle fini nell’atmosfera, questi ulteriori risultati suggeriscono che l’acqua può trasformarsi in piccole quantità di specie reattive dell’ossigeno, come il perossido di idrogeno, ovunque si formino microgoccioline, comprese nebbie, nebbie e gocce di pioggia, rafforzando i risultati di uno studio correlato del 2020.
Richard Zare, professore di chimica all’Università di Stanford, autore principale dello studio, ha affermato:
«Ora abbiamo una reale comprensione che non avevamo prima su ciò che sta causando questa formazione di perossido di idrogeno. Inoltre, sembra che l’elettrificazione a contatto che produce perossido di idrogeno sia un fenomeno universale alle interfacce acqua-solido».
Richard Zare, ha condotto la ricerca collaborando con colleghi ricercatori di due università cinesi, la Jianghan University e la Wuhan University, nonché l’Accademia cinese delle scienze.
Sulle origini del perossido di idrogeno
I ricercatori per lo studio hanno costruito un apparato di vetro con canali microscopici in cui l’acqua potrebbe essere iniettata con la forza. I canali formavano un confine solido d’acqua ermetico. I ricercatori hanno irrorato l’acqua con un colorante fluorescente che si illumina in presenza di perossido di idrogeno: un esperimento ha mostrato la presenza della sostanza chimica aggressiva nel canale microfluidico di vetro, ma non in un campione sfuso di acqua contenente anche il colorante. Ulteriori esperimenti hanno elaborato che il perossido di idrogeno si è formato rapidamente, nel giro di pochi secondi, al confine tra l’acqua e il solido.
I ricercatori per valutare se l’atomo di ossigeno in più nel perossido di idrogeno (H2O2) provenisse da una reazione con il vetro o all’interno della stessa acqua (H2O), hanno trattato il rivestimento del vetro di alcuni canali microfluidici, questi canali trattati contenevano un isotopo o una versione più pesante dell’ossigeno, soprannominato ossigeno-18 o 18. Il confronto della miscela post-reazione di acqua e perossido di idrogeno dai canali trattati e non trattati ha mostrato il segnale di 18 O nel primo, implicando il solido come fonte di ossigeno nei radicali idrossilici e infine nel perossido di idrogeno.
Le nuove scoperte potrebbero aiutare a risolvere parte del dibattito che tre anni fa è seguito nella comunità scientifica, da quando i ricercatori dell’Università di Stanford hanno inizialmente annunciato il loro nuovo rilevamento del perossido di idrogeno nelle microgoccioline d’acqua.
È emerso che altri studi hanno sottolineato i principali contributi della produzione di perossido di idrogeno attraverso interazioni chimiche con l’ozono gassoso, O 3, e un processo chiamato cavitazione, quando si formano bolle di vapore in aree a bassa pressione all’interno di liquidi accelerati.
Richard Zare ha sottolineato che entrambi questi processi chiaramente producono anche perossido di idrogeno e in quantità relativamente maggiori. Ha affermato:
«Tutti questi processi contribuiscono alla produzione di perossido di idrogeno, ma il presente lavoro conferma che questa produzione è anche intrinseca al modo in cui le microgoccioline vengono prodotte e interagiscono con le superfici solide attraverso l’elettrificazione a contatto».
Invertire la rotta sui virus respiratori stagionali
Richard Zare ha spiegato che chiarire come e in quali situazioni l’acqua può trasformarsi in specie reattive dell’ossigeno, come il perossido di idrogeno, ha una serie di intuizioni e applicazioni del mondo reale. Tra i più interessanti c’è la comprensione della formazione di radicali idrossilici e perossido di idrogeno come contributo trascurato alla ben nota stagionalità di molte malattie respiratorie virali, inclusi raffreddori, influenze e probabilmente il Covid-19 una volta che la malattia alla fine diventa completamente endemica.
Le infezioni respiratorie virali vengono trasmesse nell’aria come goccioline acquose, quando le persone malate parlano, tossiscono, starnutiscono, cantano, queste infezioni tendono ad aumentare in inverno e diminuire in estate, una tendenza in parte dovuta al fatto che le persone durante la stagione fredda trascorrono più tempo al chiuso. Tuttavia, tra lavoro, scuola e dormire la notte, le persone anche durante i mesi caldi, finiscono per trascorrere la stessa quantità di tempo in casa.
Richard Zare ha affermato che i risultati del nuovo studio offrono una possibile spiegazione del motivo per cui l’inverno è correlato a più casi di influenza, la variabile chiave, la quantità di acqua nell’aria è l’umidità; in estate, i livelli relativi più elevati di umidità interna – legati a una maggiore umidità nell’aria calda esterna – probabilmente nelle goccioline facilitano le specie reattive dell’ossigeno, hanno abbastanza tempo da uccidere i virus, al contrario, in inverno, quando l’aria all’interno degli edifici viene riscaldata e la sua umidità si abbassa, le goccioline evaporano prima che le specie reattive dell’ossigeno come il perossido di idrogeno, possano agire come disinfettanti.
Richard Zare ha detto:
«L’elettrificazione dei contatti fornisce una base chimica per spiegare in parte perché c’è stagionalità nelle malattie respiratorie virali, di conseguenza, la ricerca futura dovrebbe indagare su eventuali collegamenti tra i livelli di umidità interna negli edifici e la presenza e la diffusione di contagi. Se i collegamenti sono ulteriormente confermati, la semplice aggiunta di umidificatori ai sistemi di riscaldamento, ventilazione e raffreddamento potrebbe ridurre la trasmissione di malattie. Adottare un nuovo metodo alla disinfezione delle superfici è solo una delle grandi conseguenze pratiche di questo lavoro che coinvolge la chimica fondamentale dell’acqua nell’ambiente. Va solo a dimostrare che pensiamo di sapere così tanto sull’acqua, una delle sostanze più comunemente incontrate, ma poi siamo scientificamente umiliati».