无害的水是如何转化成有害的过氧化氢的
一项新的研究将一种显著的和意想不到的化学成因置于更坚实的基础上。
早在2019年，斯坦福大学的研究人员和同事们就揭示了一个惊人的发现，过氧化氢——一种用于消毒表面和漂白头发的腐蚀性物质——会自发地在普通良性水的微小液滴中形成。从那以后，研究人员一直致力于研究新发现的反应是如何发生的，以及探索潜在的应用，比如更环保的清洁方法。
最新的研究表明，当喷射的微水滴撞击固体表面时，会发生一种被称为接触带电的现象。电荷在液体和固体两种材料之间跳跃，产生不稳定的分子碎片，称为活性氧。这些物质被称为羟基自由基，它们的化学式为OH，然后结合形成过氧化氢(H2O2)，含量极低，但可以检测到。
这项新研究进一步证明，这一过程发生在潮湿的环境中，当水接触土壤颗粒和大气中的细颗粒时。这些额外的发现表明，在雾、雾和雨滴等自然形成微滴的地方，水可以转化为少量的活性氧，如过氧化氢，这支持了2020年一项相关研究的结果。
“我们现在对导致过氧化氢形成的原因有了以前没有的真正的了解，”研究的资深作者理查德·查尔说，他是自然科学领域的玛格丽特·布莱克·威尔伯教授，也是斯坦福人文科学学院的化学教授。“此外，在水-固界面，产生过氧化氢的接触带电似乎是一个普遍的现象。”
扎尔与来自中国江汉大学和武汉大学以及中国科学院的研究人员合作，领导了这项工作。这项研究8月1日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
过氧化氢的起源
为了这项研究，研究人员建造了一个玻璃装置，里面有微小的通道，可以强行注入水。这些通道形成了一个密不透风的水-固体边界。研究人员向水中注入一种荧光染料，这种染料在过氧化氢的存在下会发光。一项实验表明，在玻璃微流体通道中存在这种刺眼的化学物质，但在同样含有这种染料的大量水样本中却没有。额外的实验进一步阐述了过氧化氢在水和固体的边界上迅速形成，在几秒钟之内。
为了测量过氧化氢(H2O2)中多余的氧原子是来自与玻璃的反应还是来自水(H2O)本身，研究人员对一些微流体通道的玻璃衬里进行了处理。这些经过处理的通道含有较重的同位素或氧，称为氧-18或18O。对比处理后和未处理通道的水和过氧化氢液的反应后混合，前者显示了18O信号，表明固体是羟基自由基中的氧的来源，最终是过氧化氢。
自从斯坦福大学的研究人员三年前首次宣布他们在水微滴中发现了过氧化氢后，科学界就一直在争论，这项新发现可能有助于解决这些争论。其他研究强调了过氧化氢通过与气体臭氧(O3)的化学相互作用产生的主要贡献，以及一个被称为空化的过程，当蒸汽气泡在加速液体的低压区域产生时。扎雷指出，这两种过程都能明显地产生过氧化氢，而且数量相对较多。
Zare说:“所有这些过程都有助于过氧化氢的产生，但目前的工作证实，这种产生也是微液滴产生的固有方式，并通过接触带电与固体表面相互作用。”
扭转季节性呼吸道病毒的局面
扎雷解释说，确定水如何以及在什么情况下可以转化为活性氧，如过氧化氢，有许多现实世界的见解和应用。其中最引人注目的是认识到羟基自由基和过氧化氢的形成是许多病毒性呼吸道疾病(包括感冒、流感，以及可能的COVID-19，一旦疾病最终完全流行)众所周知的季节性因素，这一被忽视的因素。
当病人咳嗽、打喷嚏、唱歌甚至只是说话时，病毒性呼吸道感染通过空气中的飞沫传播。这些感染往往在冬季激增，在夏季减少，这一趋势在一定程度上是因为在寒冷的天气季节，人们花更多的时间在室内，并与有传播能力的人近距离接触。然而，在工作、上学和晚上睡觉之间，人们在炎热的天气里花在室内的时间实际上也是一样的。扎尔说，这项新研究的发现为为什么冬季与更多流感病例相关提供了一种可能的解释:起作用的关键变量是湿度，空气中的水分。在夏季，室内相对较高的湿度——与室外暖空气的较高湿度有关——可能促进液滴中的活性氧有足够的时间杀死病毒。相比之下，在冬天，当建筑物内的空气被加热，湿度降低时，液滴在活性氧发挥消毒剂作用之前就蒸发了。
扎尔说:“接触通电为部分解释病毒性呼吸道疾病的季节性提供了化学基础。”因此，扎尔补充说，未来的研究应该调查建筑物的室内湿度水平与传染病的存在和传播之间的任何联系。如果进一步证实其中的联系，只需在加热、通风和冷却系统中添加加湿器就可以减少疾病的传播。
扎尔说:“采用一种新的方法对表面消毒，只是这项涉及环境中水的基本化学成分的工作的重大实际后果之一。”“这只是表明，我们认为自己对水了解很多，水是最常见的物质之一，但我们却感到谦卑。”
Zare也是斯坦福Bio-X、心血管研究所、斯坦福癌症研究所、斯坦福ChEM-H、斯坦福伍兹环境研究所和吴蔡神经科学研究所的成员。
