Comment l'eau bénigne se transforme en peroxyde d'hydrogène agressif

Une nouvelle étude a donné une base plus solide à une genèse chimique remarquable et inattendue.

05.08.2022 - Etats-Unis

En 2019, des chercheurs de l'université de Stanford et leurs collègues ont fait la surprenante découverte 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 anodine. Depuis, les chercheurs se sont efforcés d'expliquer comment cette nouvelle réaction se produit et d'explorer les applications potentielles, telles que des méthodes de nettoyage plus respectueuses de l'environnement.

La dernière étude a révélé que lorsque des microgouttelettes d'eau pulvérisées frappent une surface solide, 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 hydroxyles, et dont la formule chimique est OH, peuvent ensuite se combiner pour former du peroxyde d'hydrogène, H₂O₂, en quantités minuscules mais détectables.

La nouvelle étude a également démontré que ce processus se produit dans les environnements humides lorsque l'eau entre en contact avec les particules du sol ainsi qu'avec les particules fines de l'atmosphère. Ces résultats supplémentaires suggèrent que l'eau peut se transformer en petites quantités d'espèces réactives de l'oxygène, comme le peroxyde d'hydrogène, partout où des microgouttelettes se forment naturellement, y compris dans les brouillards, les brumes et les gouttes de pluie, ce qui renforce les résultats d'une étude connexe de 2020.

"Nous avons maintenant une réelle compréhension, que nous n'avions pas auparavant, de ce qui provoque la formation de peroxyde d'hydrogène", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Richard Zare, titulaire de la chaire Marguerite Blake Wilbur en sciences naturelles et professeur de chimie à la Stanford School of Humanities and Sciences. "En outre, il semble que l'électrification par contact produisant du peroxyde d'hydrogène soit un phénomène universel aux interfaces eau-solide".

Zare a dirigé ces travaux, en collaborant avec des chercheurs de deux universités chinoises, l'université de Jianghan et l'université de Wuhan, ainsi qu'avec l'Académie chinoise des sciences.

Sur les origines du peroxyde d'hydrogène

Pour l'étude, les chercheurs ont construit un appareil en verre comportant des canaux microscopiques dans lesquels de l'eau pouvait être injectée de force. Les canaux formaient une frontière eau-solide 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 global d'eau contenant également le colorant. D'autres expériences ont montré que le peroxyde d'hydrogène se formait rapidement, en quelques secondes, à la frontière entre l'eau et le solide.

Pour déterminer si l'atome d'oxygène supplémentaire dans le peroxyde d'hydrogène (_H2O2) provenait d'une réaction avec le verre ou dans l'eau (_H2O) elle-même, les chercheurs ont traité le revêtement en verre de certains canaux microfluidiques. Ces canaux traités contenaient un isotope ou une version plus lourde de l'oxygène, appelée oxygène-18 ou ^18O. La comparaison du mélange post-réactionnel d'eau et de peroxyde d'hydrogène provenant des canaux traités et non traités a révélé le signal de ^18Odans le premier, impliquant le solide comme source d'oxygène dans les radicaux hydroxyles et finalement dans le peroxyde d'hydrogène.

Ces nouveaux résultats pourraient contribuer à régler une partie du débat qui s'est engagé dans la communauté scientifique depuis que les chercheurs de Stanford ont annoncé, il y a trois ans, leur nouvelle détection du peroxyde d'hydrogène dans les microgouttelettes d'eau. D'autres études ont mis l'accent sur les contributions majeures de la production de peroxyde d'hydrogène par le biais d'interactions chimiques avec l'ozone, O3, et d'un processus appelé cavitation, lorsque des bulles de vapeur apparaissent dans des zones de basse pression au sein de liquides accélérés. M. Zare a souligné que ces deux processus produisent aussi 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 de contact", a déclaré Zare.

Retourner la situation des virus respiratoires saisonniers

Zare explique que le fait de déterminer comment et dans quelles situations l'eau peut se transformer en espèces réactives de l'oxygène, comme le peroxyde d'hydrogène, offre une multitude de perspectives et d'applications dans le monde réel. L'une des plus intéressantes est la compréhension de la formation des radicaux hydroxyles et du peroxyde d'hydrogène en tant que facteur négligé contribuant au caractère saisonnier bien connu de nombreuses maladies respiratoires virales, notamment les rhumes, les grippes et probablement le COVID-19 lorsque la maladie deviendra totalement endémique.

Les infections respiratoires virales sont transmises 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 diminuer en été, une tendance qui s'explique en partie par le fait que les gens passent plus de temps à l'intérieur et dans une proximité transmissible pendant la saison froide. Cependant, entre le travail, l'école et le sommeil, les gens passent à peu près le même temps à l'intérieur pendant les mois chauds. Selon M. Zare, les résultats de cette nouvelle étude pourraient expliquer pourquoi l'hiver est associé à un plus grand nombre de cas de grippe : La principale variable en jeu est l'humidité, c'est-à-dire la quantité d'eau présente dans l'air. En été, les niveaux relatifs élevés d'humidité intérieure - liés à l'humidité élevée de l'air chaud extérieur - permettent probablement aux espèces réactives de l'oxygène présentes dans les gouttelettes d'avoir suffisamment de temps pour tuer les virus. En revanche, en hiver, lorsque l'air à l'intérieur des bâtiments est chauffé et que son humidité diminue, les gouttelettes s'évaporent avant que les espèces réactives de l'oxygène puissent agir comme désinfectant.

"L'électrification de contact fournit une base chimique qui explique en partie pourquoi les maladies respiratoires virales sont saisonnières", a déclaré M. Zare. En conséquence, a ajouté M. Zare, les recherches futures devraient examiner tout lien entre les niveaux d'humidité intérieure des bâtiments et la présence et la propagation des contagions. Si ces liens se confirment, le simple fait d'ajouter des humidificateurs aux systèmes de chauffage, de ventilation et de refroidissement pourrait réduire la transmission des maladies.

"L'adoption d'une nouvelle approche de la désinfection des surfaces n'est que l'une des grandes conséquences pratiques de ces travaux portant sur la chimie fondamentale de l'eau dans l'environnement", a déclaré M. Zare. "Cela montre simplement que nous pensons en savoir tellement sur l'eau, l'une des substances les plus couramment rencontrées, mais qu'ensuite nous sommes humbles."

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