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水能自发变成“消毒水”,83岁斯坦福教授:揭示冬天容易得流感的部分原因

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金磊 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
冬天容易感冒咳嗽得流感。
但这背后到底是什么原因?
一项来自斯坦福的研究揭开了这个问题其中的一层神秘面纱,而且结果可以说是令人意想不到。
因为它正是我们再熟悉不过的——水(H2O)。没错,这项研究正是揭示了水所具有的一个神奇能力:
在一定条件下,可以自发地变成过氧化氢(H2O2)。
过氧化氢,俗称双氧水,其比较常见的“用武之地”便是消毒了。
难道说,现在“洒洒水就能消毒”了吗?为什么冬天水的消毒作用会变弱了呢?
别急,我们现在就来一探究竟。
H2O是如何自发变成H2O2的?
水分子转变成过氧化氢,从化学式层面上来看,就是往H2O上加个O,变成H2O2。
但事实上,要在原子层面上打断一个共价键,然后添上去一个氧原子,并非是一件易事。
而斯坦福大学的一个研究团队,却非要“死磕”这个难题,决定用非常简单的方式去实现这个转变。
团队在研究过程中却意外地发现了一个奇妙的现象:
水分子自己就能变成过氧化氢啊!
于是,这项研究就在2019年发表在了《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。当然,这个过程还需要一些限定条件。
那就是需要将大体积的水,雾化成直径为1μm-20µm的微滴,这样就纯水就可以自发的变成过氧化氢了。
而且当时的这项研究还表明,微滴越小,按比例产生的过氧化氢就越多。
基于此,团队表示:
这种无催化剂、无电压的生产方法,为绿色生产过氧化氢提供了创新机会。
虽然结论较为惊人和意外,但与此同时,研究也遭到了其他学者的质疑。
例如来自阿卜杜拉国王科技大学大的Himanshu Mishra发表文章称:
没有臭氧,就无法检测到水微滴中的过氧化氢。
其它研究的质疑点,同样也是强调过氧化氢生成的主要原因是与臭氧、氧气的化学相互作用等。
然而面对质疑,斯坦福团队并没有立刻展开“反击”,而是选择潜心继续研究。
终于在今年开始,陆陆续续发表文章“攻破”其它学者提出的种种质疑。
而就在PNAS上最新发表的一项研究,更是揭示了这一过程的化学基础。在这项研究中,团队表示:
当喷射的微水滴撞击固体表面时,会产生一种名为接触起电(contact electrification)的现象。
具体来说,就是电荷会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,即活性氧(reactive oxygen species)。
这其中就包含三电子还原产物羟基自由基(·OH),它们成对后便可结合生成过氧化氢。
团队对此表示“虽然数量极少,但是还是可以被检测出来”。
具体的过程则是通过质谱法,检测4-羧基苯基硼酸与表面18O2等离子体处理产生的18O标记的H2O2反应产物中的18O,证实了羟基参与H2O2的生成。而且团队在这项研究中还进一步表明:
在潮湿的环境中,当水接触土壤颗粒和大气中的细颗粒时,这个过程就会发生。
并且这些额外的发现还表明,无论微滴在哪里自然形成(包括在雾和雨滴等),水都可以转化为少量的诸如过氧化氢这类的活性氧。
但这项研究的意义不仅仅发现水变成双氧水过程化学基础这么简单,更是可以解释与多数人息息相关的生活现象。
季节性呼吸道疾病与此有关
相比于夏天,感冒流感等呼吸系统疾病(潜在的还包括新冠)在冬天爆发的几率会更高一些。
虽然一部分的原因,是因为人们在冬季更多时间是在室内活动,会更距离接触传染源。
但不论是在哪个季节,人们工作、学习和睡觉,基本上都是在室内。
斯坦福团队基于最新的这项研究,便得出了另一种结论:
与湿度(即空气中的水分含量)有关。
具体而言,夏天室内空气的湿度会比较高,这就有利于液滴中的活性氧有足够的时间杀死病毒。
相反,人们冬天在室内为了取暖,往往会采取一系列加热的行为,这就会使空气中的湿度降低。
于是,液滴在活性氧起消毒作用之前就蒸发了。对此,研究团队表示:
这一过程的化学基础,部分解释了为什么病毒性呼吸道疾病具有季节性。
未来的研究应该聚焦在建筑物室内湿度水平与传染病的存在和传播之间的联系。
研究团队
在这一系列研究项目的背后,核心研究人员是来自斯坦福大学的Richard Zare教授。他出生于1939年,在哈佛大学取得学士、博士学位,并于1977年入职斯坦福化学系。
在2006年,Zare还专门开设了一门课程,将物理学和生物学结合起来,探索生命系统如何利用分子与光的相互作用来实现视觉、光合作用等等。
目前,Zare的实验室致力于探索物理和分析化学的广泛问题,从基本化学反应的研究到地外物质的纳米级化学分析。
而在此次最新的研究中,作者还包括来自江汉大学、武汉大学和中科院的中国学者。
参考链接:
[1]https://news.stanford.edu/2022/08/01/benign-water-transforms-harsh-hydrogen-peroxide/
[2]https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2209056119
[3]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1911883116
[4]https://profiles.stanford.edu/dick-zare
[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1734928445039540565 wfr=spider for=pc
— 完 —
原标题:《水能自发变成“消毒水”,83岁斯坦福教授:揭示冬天容易得流感的部分原因》
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