Une nouvelle recherche de Stanford révèle les fondements chimiques de la façon dont l’eau bénigne peut se transformer en peroxyde d’hydrogène agressif

1 août 2022

Un chercheur de Stanford et ses collègues ont montré que le transfert de charge électrique lorsque des gouttelettes d’eau entrent en contact avec des matériaux solides peut produire spontanément du peroxyde d’hydrogène, une découverte ayant des implications pour les efforts de nettoyage et de désinfection.

Par Adam Hadhazy

Une nouvelle étude a mis une genèse chimique remarquable et inattendue sur des bases plus solides.

Suite à des travaux qui ont révélé que des microgouttelettes d’eau peuvent former spontanément du peroxyde d’hydrogène, les chercheurs ont déterminé que c’est le résultat du contact de l’eau avec une surface solide et de la production d’une charge électrique. (Crédit image : Getty Images)

En 2019, des chercheurs et collègues de l’Université de Stanford ont révélé la découverte surprenante que le peroxyde d’hydrogène – une substance caustique utilisée pour désinfecter les surfaces et décolorer les cheveux – se forme spontanément dans des gouttelettes microscopiques d’eau ordinaire et bénigne. Les chercheurs ont depuis cherché à étoffer la façon dont la nouvelle réaction se produit, ainsi qu’à explorer des applications potentielles, telles que des méthodes de nettoyage plus respectueuses de l’environnement.

La dernière étude a révélé que lorsque des microgouttelettes d’eau frappent une surface solide pulvérisée, un phénomène connu sous le nom d’électrification de contact se produit. La charge électrique saute entre les deux matériaux, liquide et solide, produisant des fragments moléculaires instables appelés espèces réactives de l’oxygène. Des paires de ces espèces connues sous le nom de radicaux hydroxyle, et qui ont la formule chimique OH, peuvent alors se combiner pour former du peroxyde d’hydrogène, H2O2en quantités infimes mais détectables.

La nouvelle étude a en outre démontré que ce processus se produit dans des environnements humides lorsque l’eau touche des particules de sol ainsi que des particules fines dans l’atmosphère. Ces découvertes supplémentaires suggèrent que l’eau peut se transformer en petites quantités d’espèces réactives de l’oxygène, telles que le peroxyde d’hydrogène, partout où des microgouttelettes se forment naturellement, y compris dans les brouillards, les brumes et les gouttes de pluie, renforçant les résultats d’une étude connexe de 2020.

“Nous avons maintenant une réelle compréhension que nous n’avions pas auparavant de ce qui cause cette formation de peroxyde d’hydrogène”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Richard Zare, professeur Marguerite Blake Wilbur en sciences naturelles et professeur de chimie à la Stanford School. des sciences humaines et des sciences. “De plus, il semble que l’électrification par contact produisant du peroxyde d’hydrogène soit un phénomène universel aux interfaces eau-solide.”

Zare a dirigé ce travail, en collaboration avec des chercheurs de deux universités chinoises, l’Université de Jianghan et l’Université de Wuhan, ainsi que l’Académie chinoise des sciences. L’étude a été publiée en août. 1 dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Aux origines du peroxyde d’hydrogène

Pour l’étude, les chercheurs ont construit un appareil en verre avec des canaux microscopiques où l’eau pouvait être injectée de force. Les canaux formaient une frontière solide et étanche à l’air. Les chercheurs ont perfusé l’eau avec un colorant fluorescent qui brille en présence de peroxyde d’hydrogène. Une expérience a montré la présence du produit chimique agressif dans le canal microfluidique en verre, mais pas dans un échantillon en vrac d’eau contenant également le colorant. Des expériences supplémentaires ont établi que le peroxyde d’hydrogène s’est formé rapidement, en quelques secondes, à la frontière entre l’eau et le solide.

Pour évaluer si l’atome d’oxygène supplémentaire dans le peroxyde d’hydrogène (H2O2) provenait d’une réaction avec le verre ou dans l’eau (H2O) lui-même, les chercheurs ont traité le revêtement de verre de certains canaux microfluidiques. Ces canaux traités contenaient un isotope plus lourd ou une version de l’oxygène, appelé oxygène-18 ou 18O. La comparaison du mélange post-réaction d’eau et de fluide de peroxyde d’hydrogène des canaux traités et non traités a montré le signal de 18O dans le premier, impliquant le solide comme source d’oxygène dans les radicaux hydroxyles et finalement dans le peroxyde d’hydrogène.

Les nouvelles découvertes pourraient aider à régler une partie du débat qui s’est ensuivi dans la communauté scientifique depuis que les chercheurs de Stanford ont initialement annoncé leur nouvelle détection du peroxyde d’hydrogène dans les microgouttelettes d’eau il y a trois ans. D’autres études ont souligné les contributions majeures de la production de peroxyde d’hydrogène via des interactions chimiques avec le gaz ozone, O3, et un processus appelé cavitation, lorsque des bulles de vapeur apparaissent dans des zones à basse pression au sein de liquides accélérés. Zare a souligné que ces deux processus produisent également clairement du peroxyde d’hydrogène, et en quantités comparativement plus importantes.

“Tous ces processus contribuent à la production de peroxyde d’hydrogène, mais les présents travaux confirment que cette production est également intrinsèque à la façon dont les microgouttelettes sont fabriquées et interagissent avec les surfaces solides par électrification par contact”, a déclaré Zare.

Renverser les tables sur les virus respiratoires saisonniers

Déterminer comment et dans quelles situations l’eau peut se transformer en espèces réactives de l’oxygène, telles que le peroxyde d’hydrogène, offre une multitude d’informations et d’applications concrètes, a expliqué Zare. Parmi les plus compilés, il y a la compréhension de la formation de radicaux hydroxyle et de peroxyde d’hydrogène en tant que contributeur négligé à la saisonnalité bien connue de nombreuses maladies respiratoires virales, y compris le rhume, la grippe et probablement le COVID-19 une fois que la maladie devient finalement complètement endémique.

Les infections respiratoires virales se transmettent dans l’air sous forme de gouttelettes aqueuses lorsque les personnes malades toussent, éternuent, chantent ou même simplement parlent. Ces infections ont tendance à augmenter en hiver et à refluer en été, une tendance due en partie au fait que les personnes passent plus de temps à l’intérieur et à proximité immédiate et transmissible pendant la saison froide. Cependant, entre le travail, l’école et le sommeil nocturne, les gens finissent par passer à peu près le même temps à l’intérieur pendant les mois chauds. Zare a déclaré que les résultats de la nouvelle étude offrent une explication possible de la corrélation entre l’hiver et davantage de cas de grippe : la variable clé au travail est l’humidité, la quantité d’eau dans l’air. En été, les niveaux relatifs plus élevés d’humidité intérieure – liés à une humidité plus élevée dans l’air chaud à l’extérieur – facilitent probablement les espèces réactives de l’oxygène dans les gouttelettes ayant suffisamment de temps pour tuer les virus. À l’opposé, en hiver, lorsque l’air à l’intérieur des bâtiments est chauffé et son humidité abaissée, les gouttelettes s’évaporent avant que les espèces réactives de l’oxygène ne puissent agir comme désinfectant.

“L’électrification par contact fournit une base chimique pour expliquer en partie pourquoi il y a une saisonnalité des maladies respiratoires virales”, a déclaré Zare. En conséquence, a ajouté Zare, les recherches futures devraient étudier tout lien entre les niveaux d’humidité intérieure dans les bâtiments et la présence et la propagation des contagions. Si les liens sont davantage confirmés, le simple fait d’ajouter des humidificateurs aux systèmes de chauffage, de ventilation et de refroidissement pourrait réduire la transmission des maladies.

« Adopter une nouvelle approche de la désinfection des surfaces n’est qu’une des grandes conséquences pratiques de ce travail impliquant la chimie fondamentale de l’eau dans l’environnement », a déclaré Zare. “Cela montre simplement que nous pensons en savoir tellement sur l’eau, l’une des substances les plus couramment rencontrées, mais nous sommes ensuite humbles.”

Zare est également membre de Stanford Bio-Xla Institut cardiovasculairela Institut du cancer de Stanford, Stanford CHEM-Hla Institut de Stanford Woods pour l’environnement, et le Institut des neurosciences Wu Tsai.

La recherche a été financée en partie par des subventions du Programme de recherche prioritaire stratégique de l’Académie chinoise des sciences, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du Programme national clé de recherche et de développement de Chine, du Programme de soutien aux jeunes talents de l’Université de Jianghan et du Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force.

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