Ny type ekstremt reaktiv substans oppdaget i atmosfæren

For første gang er en helt ny klasse superreaktive kjemiske forbindelser funnet under atmosfæriske forhold. Forskere fra Københavns Universitet har i nært samarbeid med internasjonale kolleger dokumentert dannelsen av såkalte trioksider – en ekstremt oksiderende kjemisk forbindelse som sannsynligvis påvirker både menneskers helse og vårt globale klima.

Hydrogenperoksid er en kjent kjemisk forbindelse. Fordi alle peroksider har to oksygenatomer festet til hverandre, er de svært reaktive og ofte brennbare og eksplosive. De brukes til alt fra bleking av tenner og hår, til rengjøring av sår og til og med som rakettdrivstoff. Imidlertid finnes peroksider også i luften rundt oss.

Det har vært spekulasjoner de siste årene om trioksider – kjemiske forbindelser med tre oksygenatomer festet til hverandre, og dermed enda mer reaktive enn peroksidene – også finnes i atmosfæren. Men til nå har det aldri vært utvetydig bevist.

“Dette er det vi nå har oppnådd,” sier professor Henrik Grum Kjærgaard, ved Københavns Universitets avdeling for kjemi. Kjærgaard er seniorforfatter av studien, publisert 26. mai 2022, i det prestisjetunge tidsskriftet, Vitenskap.

Han fortsetter:

“Typen forbindelser vi oppdaget er unike i sin struktur. Og fordi de er ekstremt oksiderende, gir de mest sannsynlig en rekke effekter som vi ennå ikke har avdekket.”

Hydrotrioksider (ROOOH), som de er kjent, er en helt ny klasse av kjemiske forbindelser. Forskere ved Københavns Universitet (UCPH) har sammen med kolleger ved Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) og California Institute of Technology (Caltech) vist at disse forbindelsene dannes under atmosfæriske forhold.

Forskerne har også vist at hydrotrioksider dannes under atmosfærisk nedbrytning av flere kjente og mye emitterte stoffer, inkludert isopren og dimetylsulfid.

«Det er ganske betydelig at vi nå kan vise, gjennom direkte observasjon, at disse forbindelsene faktisk dannes i atmosfæren, at de er overraskende stabile og at de er dannet av nesten alle kjemiske forbindelser. All spekulasjon må nå legges til ro, sier Jing Chen, en doktorgradsstudent ved Institutt for kjemi og andre forfatter av studien.

Hydrotrioksider dannes i en reaksjon mellom to typer radikaler (se illustrasjon nedenfor). Forskerne forventer at nesten alle kjemiske forbindelser vil danne hydrotrioksider i atmosfæren og anslår at levetiden deres varierer fra minutter til timer. Dette gjør dem stabile nok til å reagere med mange andre atmosfæriske forbindelser.

Antagelig absorbert i aerosoler

Forskerteamet har også trioksidene under sterk mistanke om å kunne trenge inn i ørsmå luftbårne partikler, kjent som aerosoler, som utgjør en helsefare og kan føre til luftveis- og hjerte- og karsykdommer.

“De vil mest sannsynlig gå inn i aerosoler, hvor de vil danne nye forbindelser med nye effekter. Det er lett å tenke seg at det dannes nye stoffer i aerosolene som er skadelige ved innånding. Men ytterligere undersøkelser er nødvendig for å adressere disse potensielle helseeffektene, sier Henrik Grum Kjærgaard.

Mens aerosoler også har innvirkning på klimaet, er de noe av det som er vanskeligst å beskrive i klimamodeller. Og ifølge forskerne er det stor sannsynlighet for at hydrotrioksider påvirker hvor mange aerosoler som produseres.

«Ettersom sollys både reflekteres og absorberes av aerosoler, påvirker dette jordens varmebalanse – det vil si forholdet mellom sollys som jorden absorberer og sender tilbake til verdensrommet. Når aerosoler absorberer stoffer, vokser de og bidrar til skydannelse, noe som også påvirker jordens klima, sier medforfatter og PhD. student, Eva R. Kjærgaard.

Forbindelsens effekt må studeres videre

Forskerne håper at oppdagelsen av hydrotrioksider vil hjelpe oss å lære mer om effekten av kjemikaliene vi slipper ut.

«Det meste av menneskelig aktivitet fører til utslipp av kjemiske stoffer til atmosfæren. Så kunnskap om reaksjonene som bestemmer atmosfærisk kjemi er viktig hvis vi skal kunne forutsi hvordan våre handlinger vil påvirke atmosfæren i fremtiden, sier medforfatter og postdoktor, Kristan H. Møller.

Verken han eller Henrik Grum Kjærgaard er imidlertid bekymret for det nye funnet:

“Disse forbindelsene har alltid eksistert – vi visste bare ikke om dem. Men det at vi nå har bevis på at forbindelsene dannes og lever i en viss tid, gjør at det er mulig å studere effekten mer målrettet og reagere dersom de viser seg å være farlige, sier Henrik Grum Kjærgaard.

“Oppdagelsen antyder at det kan være mange andre ting i luften som vi ennå ikke vet om. Faktisk er luften som omgir oss et stort virvar av komplekse kjemiske reaksjoner. Som forskere må vi ha et åpent sinn hvis vi ønsker å bli bedre til å finne løsninger, avslutter Jing Chen.

Reference: “Hydrotrioxide (ROOOH) formation in the atmosphere” by Torsten Berndt, Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann, Hartmut Herrmann, John D. Crounse, Paul O. Wennberg and Henrik G. Kjaergaard, 26 May 2022, Vitenskap.
DOI: 10.1126/science.abn6012

Om studiet

• Mens teoriene bak de nye forskningsresultatene ble utviklet i København, ble forsøkene utført ved bruk av massespektrometri, dels ved Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) i Tyskland, og dels ved California Institute of Technology (Caltech) i USA .
• Mens høyere konsentrasjoner må brukes i mange eksperimenter, utføres disse eksperimentene i et miljø som er nesten identisk med atmosfæren, noe som gjør resultatene svært pålitelige og sammenlignbare med atmosfæren. Måling av hydrotrioksidene ble gjort mulig ved å bruke utrolig følsomme måleinstrumenter.
• Studien er utført av Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann og Hartmut Hermann fra Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS); Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller og Henrik Grum Kjærgaard; og John D. Crounse og Paul O. Wennberg ved Caltech.