La formation de peroxyde d'hydrogène à l'interface air-eau dans les microgouttelettes n'est pas spontanée comme on le croyait auparavant, mais est plutôt entraînée par l'ozone. 1 crédit :KAUST
Une enquête approfondie menée par des chercheurs de KAUST remet les pendules à l'heure sur la formation de peroxyde d'hydrogène dans des gouttelettes d'eau de taille micrométrique, ou microgouttelettes, et montre que l'ozone est la clé de cette transformation1,2.
L'interface air-eau est un site crucial pour de nombreux processus naturels, domestiques et industriels tels que les échanges océan-atmosphère, la formation de nuages et de rosée, les boissons gazeuses et les bioréacteurs. Pourtant, sonder les transformations chimiques à l'interface air-eau est difficile en raison du manque de techniques spécifiques à la surface ou de modèles informatiques.
Des recherches récentes ont révélé que l'eau se transforme spontanément en peroxyde d'hydrogène de 30 à 110 micromolaires (H2 O2 ) en microgouttelettes, obtenues par condensation de vapeur ou pulvérisation d'eau à l'aide d'azote gazeux sous pression. La compréhension classique de l'eau est donc remise en question par la manière dont les conditions de température et de pression douces, associées à l'absence de catalyseurs, de co-solvants et d'une énergie appliquée importante, pourraient rompre les liaisons covalentes O – H. On a émis l'hypothèse que ce phénomène inhabituel résultait d'un champ électrique ultra-élevé à l'interface air-eau qui assiste la formation de radicaux OH, mais aucune preuve directe n'a été rapportée.
Pour approfondir ce phénomène, Himanshu Mishra a réuni une équipe composée de dynamiques des fluides informatiques et d'ingénieurs Hong Im et Sigurdur Thoroddsen. "Les pulvérisations sont des systèmes complexes qui peuvent entraîner des ondes de choc et une évaporation rapide ; nous avons donc commencé avec des microgouttelettes d'eau condensée", explique Mishra.
En collaboration avec Ph.D. les étudiants Adair Gallo Jr et Nayara Musskopf, le chercheur scientifique Peng Zhang ont utilisé un test ultrasensible basé sur la fluorescence qui peut détecter le H2 aqueux O2 avec une limite de détection presque 40 fois inférieure à celle du test original. Ils n'ont trouvé aucun H2 O2 dans des microgouttelettes condensées d'eau chaude, mais jusqu'à une micromolaire H2 O2 dans les microgouttelettes des humidificateurs à ultrasons commerciaux. Grâce à cette information clé, l'équipe a étudié les sprays.
Simulations informatiques par le postdoc Xinlei Liu et imagerie à grande vitesse par le Ph.D. l'étudiant Ziqiang Yang a démontré que des ondes de choc en forme de bol se formaient dans les pulvérisations, mais ces conditions étaient inadéquates pour transformer chimiquement l'eau en H2 O2 .
"Des questions subsistaient :d'où venait le reste du H2 O2 proviennent des microgouttelettes condensées et pulvérisées étudiées en Californie, et pourquoi ne l'avons-nous pas vu à KAUST ? » déclare l'auteur principal Gallo Jr. Après plusieurs tentatives infructueuses pour expliquer l'énigme, l'équipe s'est tournée vers l'ozone ambiant en tant qu'acteur potentiel dans H2 O2 formation. "J'ai eu un moment Eureka en lisant des articles d'il y a 40 ans. Ils avaient répertorié l'ozone ambiant comme un interférant dans le H2 aqueux. O2 mesures », explique Mishra.
Pour contrôler les niveaux d'ozone ambiants, les chercheurs ont utilisé un générateur d'ozone et ont mélangé le gaz résultant avec de l'azote gazeux avant de l'introduire dans une boîte à gants. Ils ont observé que l'augmentation de la concentration d'ozone augmentait le H2 O2 formation. "Nous étions si heureux parce que c'était la réponse", déclare Musskopf, co-auteur principal.
Alors que les concentrations d'ozone ambiant restent inférieures à deux parties par milliard à l'intérieur de notre boîte à gants, elles peuvent dépasser 80 parties par milliard en Californie, selon les enregistrements recueillis par l'Environmental Protection Agency. Bien que l'ozone se dissolve très peu dans l'eau, la surface améliorée des microgouttelettes permet de dissoudre plus d'ozone et de réagir rapidement pour former du H2 O2 . "Il devait y avoir quelque chose lié à la géographie de l'endroit, une différence environnementale entre notre emplacement en Arabie saoudite et en Californie, dit Gallo Jr.
Ensemble, ces données réfutent que l'eau se transforme spontanément en H2 O2 à l'interface air-eau. "Nous avons défendu la chimie physique des manuels et ce que nous savons de l'eau", conclut Mishra.
