การศึกษาใหม่ได้นำการกำเนิดทางเคมีที่โดดเด่นและไม่คาดคิดมาไว้บนพื้นฐานที่มั่นคงยิ่งขึ้น
ย้อนกลับไปในปี 2019 นักวิจัยของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและ คณะได้เปิดเผยการค้นพบที่น่าประหลาดใจ ว่าไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ซึ่งเป็นสารกัดกร่อนที่ใช้สำหรับฆ่าเชื้อพื้นผิวและสารฟอกสีผมนั้นก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติในหยดน้ำขนาดเล็กที่มีขนาดเล็กมากด้วยน้ำธรรมดาที่ไม่เป็นพิษ ตั้งแต่นั้นมา นักวิจัยได้ตั้งเป้าหมายที่จะศึกษาว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นใหม่นี้เป็นอย่างไร ตลอดจนสำรวจการใช้งานที่เป็นไปได้ เช่น วิธีการทำความสะอาดที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
ผลการศึกษาล่าสุดเปิดเผยว่าเมื่อละอองน้ำขนาดเล็กพ่นกระทบพื้นผิวที่เป็นของแข็ง จะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสัมผัสกระแสไฟฟ้า (Contact electrification) ประจุไฟฟ้ากระโดดไปมาระหว่างวัสดุทั้งสองชนิด ของเหลวและของแข็ง ทำให้เกิดชิ้นส่วนโมเลกุลที่ไม่เสถียรซึ่งเรียกว่าชนิดออกซิเจนปฏิกิริยา คู่ของสปีชีส์เหล่านี้เรียกว่าไฮดรอกซิลเรดิคัลซึ่งมีสูตรทางเคมี OH สามารถรวมกันเป็นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ H 2 O 2ในปริมาณเล็กน้อยแต่สามารถตรวจพบได้
การศึกษาใหม่แสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่ากระบวนการนี้เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ชื้นเมื่อน้ำสัมผัสกับอนุภาคของดินและอนุภาคละเอียดในบรรยากาศ การค้นพบเพิ่มเติมเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าน้ำสามารถเปลี่ยนเป็นออกซิเจนชนิดปฏิกิริยาในปริมาณเล็กน้อย เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ไม่ว่าที่ใดก็ตามที่ไมโครดรอปเล็ตก่อตัวขึ้นตามธรรมชาติ รวมถึงในหมอก หมอก และเม็ดฝน ซึ่งหนุนผลจากการศึกษาที่เกี่ยวข้องใน ปี2020
Richard Zare ผู้เขียนอาวุโสด้านการศึกษา ศาสตราจารย์ Marguerite Blake Wilbur ด้านวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ และศาสตราจารย์ด้านเคมีใน โรงเรียนสแตนฟอร์ดกล่าวว่า “เรามีความเข้าใจอย่างแท้จริงแล้ว ซึ่งเราไม่เคยมีมาก่อนเกี่ยวกับสาเหตุที่ทำให้เกิดการก่อตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์นี้ มนุษยศาสตร์และวิทยาศาสตร์ . “นอกจากนี้ ปรากฏว่าการสัมผัสกระแสไฟฟ้าที่ให้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นปรากฏการณ์สากลที่ส่วนต่อประสานระหว่างน้ำกับของแข็ง”
Zare เป็นผู้นำงานนี้ โดยร่วมมือกับนักวิจัยจากสองมหาวิทยาลัยในประเทศจีน ได้แก่ Jianghan University และ Wuhan University รวมถึง Chinese Academy of Sciences การศึกษาถูก ตีพิมพ์เมื่อ วันที่ 1 สิงหาคมใน รายงานการประชุมของ National Academy of Sciences (PNAS)
เกี่ยวกับต้นกำเนิดของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์
สำหรับการศึกษานี้ นักวิจัยได้สร้างเครื่องแก้วที่มีช่องไมโครสโคปอยู่ในนั้น ซึ่งสามารถบังคับให้น้ำฉีดเข้าไปได้ ช่องดังกล่าวก่อตัวเป็นแนวกั้นน้ำอัดลม นักวิจัยผสมน้ำด้วยสีย้อมเรืองแสงที่เรืองแสงเมื่อมีไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ การทดลองแสดงให้เห็นว่ามีสารเคมีรุนแรงอยู่ในช่องไมโครฟลูอิดิกแก้ว แต่ไม่พบในตัวอย่างน้ำจำนวนมากที่มีสีย้อม การทดลองเพิ่มเติมระบุว่าไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่กี่วินาทีที่แนวกั้นระหว่างน้ำกับของแข็ง
เพื่อวัดว่าอะตอมออกซิเจนส่วนเกินในไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H 2 O 2 ) มาจากปฏิกิริยากับแก้วหรือภายในน้ำ (H 2 O) เองหรือไม่ นักวิจัยได้ทำการรักษาเยื่อบุกระจกของช่องไมโครฟลูอิดิกบางช่อง ช่องที่บำบัดแล้วเหล่านี้มีไอโซโทปหรือรุ่นของออกซิเจนที่หนักกว่า เรียกว่า ออกซิเจน-18 หรือ 18 O การเปรียบเทียบส่วนผสมหลังการทำปฏิกิริยาของน้ำกับของเหลวไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จากช่องที่บำบัดแล้วและไม่บำบัดแสดงสัญญาณของ 18 O ในอดีต ซึ่งเกี่ยวข้องกับ ของแข็งเป็นแหล่งของออกซิเจนในอนุมูลไฮดรอกซิลและในที่สุดก็อยู่ในไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์
การค้นพบใหม่นี้สามารถช่วยยุติการอภิปรายบางส่วนที่เกิดขึ้นในชุมชนวิทยาศาสตร์ เนื่องจากนักวิจัยของสแตนฟอร์ดในขั้นต้นได้ประกาศการตรวจหาไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์แบบใหม่ในไมโครดรอปเล็ตในน้ำเมื่อสามปีที่แล้ว การศึกษาอื่น ๆ ได้เน้นย้ำถึงการมีส่วนร่วมที่สำคัญของการผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ผ่านปฏิกิริยาทางเคมีกับโอโซนของก๊าซ O 3และกระบวนการที่เรียกว่าคาวิเทชัน เมื่อฟองไอระเหยเกิดขึ้นในบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำภายในของเหลวที่มีการเร่งความเร็ว Zare ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการทั้งสองนี้ยังให้ผลผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์อย่างชัดเจนและในปริมาณที่มากกว่า
Zare กล่าวว่า “กระบวนการทั้งหมดเหล่านี้มีส่วนช่วยในการผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ แต่งานปัจจุบันยืนยันว่าการผลิตนี้ยังมีอยู่ในแนวทางการผลิตไมโครดรอปเล็ตและโต้ตอบกับพื้นผิวที่เป็นของแข็งผ่านการสัมผัสกระแสไฟฟ้า” Zare กล่าว
เปิดตารางไวรัสทางเดินหายใจตามฤดูกาล
Zare อธิบาย โดยอธิบายว่าน้ำสามารถเปลี่ยนเป็นชนิดออกซิเจนปฏิกิริยาเช่นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ได้อย่างไรและในสถานการณ์ใดและในสถานการณ์ใดและมีข้อมูลเชิงลึกและการใช้งานจริงมากมาย สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือการทำความเข้าใจการก่อตัวของอนุมูลไฮดรอกซิลและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในฐานะผู้มีส่วนสนับสนุนตามฤดูกาลที่รู้จักกันดีของโรคทางเดินหายใจจากไวรัสหลายชนิด รวมถึงโรคหวัด ไข้หวัดใหญ่ และมีแนวโน้มว่าโควิด-19 เมื่อโรคกลายเป็นโรคประจำถิ่นในที่สุด
การติดเชื้อไวรัสทางเดินหายใจถูกส่งไปในอากาศเป็นละอองน้ำ เมื่อคนที่มีอาการไอ จาม ร้องเพลง หรือแม้แต่พูดคุย การติดเชื้อเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเพิ่มสูงขึ้นในฤดูหนาวและลดลงในฤดูร้อน ซึ่งเป็นแนวโน้มที่คนส่วนใหญ่ใช้เวลาในบ้านและอยู่ใกล้กันมากขึ้นในช่วงฤดูอากาศหนาว อย่างไรก็ตาม ระหว่างที่ทำงาน ไปโรงเรียน และนอนตอนกลางคืน ผู้คนมักใช้เวลาอยู่ในบ้านในช่วงเดือนที่อากาศร้อนเช่นเดียวกัน Zare กล่าวว่าผลการศึกษาใหม่นี้เสนอคำอธิบายที่เป็นไปได้ว่าทำไมฤดูหนาวจึงมีความสัมพันธ์กับกรณีไข้หวัดใหญ่มากขึ้น: ตัวแปรสำคัญในที่ทำงานคือความชื้น ปริมาณน้ำในอากาศ ในฤดูร้อน, ระดับความชื้นในร่มที่สัมพันธ์กันที่สูงขึ้น ซึ่งเชื่อมโยงกับความชื้นที่สูงขึ้นในอากาศอุ่นภายนอก มีแนวโน้มว่าจะช่วยให้ออกซิเจนชนิดปฏิกิริยาในละอองมีเวลาเพียงพอในการฆ่าเชื้อไวรัส ในทางตรงกันข้าม ในฤดูหนาว เมื่ออากาศภายในอาคารได้รับความร้อนและความชื้นในอาคารลดลง ละอองฝอยจะระเหยไปก่อนที่ออกซิเจนชนิดปฏิกิริยาจะทำหน้าที่เป็นยาฆ่าเชื้อ
Zare กล่าวว่า “การใช้ไฟฟ้าแบบสัมผัสเป็นพื้นฐานทางเคมีในการอธิบายบางส่วนว่าทำไมโรคทางเดินหายใจจากไวรัสถึงมีฤดูกาล” Zare กล่าวเสริมว่า การวิจัยในอนาคตควรตรวจสอบความเชื่อมโยงระหว่างระดับความชื้นภายในอาคารในอาคารและการมีอยู่และการแพร่กระจายของโรคติดต่อ หากมีการเชื่อมโยงออกไป การเพิ่มเครื่องทำความชื้นในระบบทำความร้อน การระบายอากาศ และระบบทำความเย็นอาจช่วยลดการแพร่กระจายของโรคได้
Zare กล่าวว่า “การใช้แนวทางใหม่ในการฆ่าเชื้อพื้นผิวเป็นเพียงหนึ่งในผลที่ตามมาของงานนี้ซึ่งเกี่ยวข้องกับเคมีพื้นฐานของน้ำในสิ่งแวดล้อม” “มันแสดงให้เห็นว่าเราคิดว่าเรารู้เรื่องน้ำมาก ซึ่งเป็นหนึ่งในสารที่พบได้บ่อยที่สุด แต่แล้วเราก็ถ่อมตัวลง”
Zare ยังเป็นสมาชิกของ Stanford Bio-X , Cardiovascular Institute , Stanford Cancer Institute , Stanford ChEM-H , Stanford Woods Institute for the EnvironmentและWu Tsai Neurosciences Institute
การวิจัยได้รับทุนบางส่วนจากทุนสนับสนุนจากโครงการวิจัยที่มีความสำคัญเชิงกลยุทธ์ของ Chinese Academy of Sciences, มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน, โครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติของจีน, โครงการสนับสนุนความสามารถเยาวชนของมหาวิทยาลัย Jianghan และ สำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศสหรัฐ
หากต้องการอ่านเรื่องราวทั้งหมดเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของสแตนฟอร์ด โปรดสมัครรับข้อมูลจาก Stanford Science Digestรายปักษ์
สื่อติดต่อ
เทย์เลอร์ คูโบต้า, สแตนฟอร์ดนิวส์ เซอร์วิส: (650) 724-7707; tkubota@stanford.edu
