Dwadzieścia lat niewyjaśnionej zagadki
Okazuje się, że tlen, którym oddychamy na co dzień, to tylko jedna z jego postaci. Ta łagodna wersja, nazywana tlenem tripletowym, ma zupełnie innego, bardziej agresywnego “bliźniaka”. Tlen singletowy charakteryzuje się innym układem spinów kwantowych elektronów, co czyni go wyjątkowo reaktywnym.
Gdziekolwiek się tworzy, może uszkadzać lub reagować z rzeczami znajdującymi się w jego sąsiedztwie – wyjaśnia Kristopher McNeill
Ta toksyczna forma tlenu atakuje białka i lipidy w komórkach, prowadząc do ich degradacji. W akumulatorach powoduje korozję wewnętrznych komponentów, znacząco skracając żywotność ogniw. Przez lata naukowcy nie potrafili dokładnie określić, co decyduje o jego powstawaniu.
Czytaj też: Ciemny tlen na dnie oceanu. Jego dziwna forma wywraca wiedzę o życiu i energii
Naprawdę toczyła się zażarta debata na temat tego, czy tlen singletowy tworzy się w środowisku komórek. Do tej pory nigdy tego nie wyjaśniono – podkreśla Freunberger
Przełom nastąpił dzięki zrozumieniu procesu zwanego dysproporcjonowaniem ponadtlenku. W tej reakcji dwie cząsteczki ponadtlenku wymieniają między sobą elektrony: jedna przekształca się w nadtlenek, druga w tlen.
Demonstrujemy zasadę dysproporcjonowania ponadtlenku w warunkach laboratoryjnych: jeśli dwie cząsteczki ponadtlenku uścisną sobie dłonie, jedna ulega redukcji do nadtlenku, a druga utlenieniu do tlenu – dodaje Soumyadip Mondal, współautor badań
Badacze odkryli, iż o powstawaniu reaktywnej formy tlenu decyduje przede wszystkim “siła napędowa” reakcji, czyli różnica energii, która musi osiągnąć wysoki poziom. Drugim kluczowym czynnikiem jest odczyn środowiska. W mitochondriach, które pełnią funkcję komórkowych elektrowni, panuje zasadowe środowisko o pH około 8,0. To utrzymuje niską siłę napędową reakcji, chroniąc komórki przed toksycznym tlenem. Gdy pH spada i środowisko staje się kwaśne, siła napędowa wzrasta, sprzyjając powstawaniu destrukcyjnej formy. Odkrycie potwierdza teorię Marcusa, która opisuje nieliniową zależność między siłą napędową a przebiegiem reakcji. Paradoksalnie, zbyt duża siła napędowa zmniejsza produkcję “dobrego” tlenu tripletowego, a zwiększa powstawanie jego toksycznego odpowiednika.
Realne implikacje dla energetyki
Zrozumienie tych mechanizmów otwiera nowe możliwości w projektowaniu trwalszych baterii i efektywniejszych systemów produkcji wodoru. Kontrolowanie powstawania reaktywnego tlenu może znacząco wydłużyć żywotność akumulatorów, szczególnie tych uważanych za przyszłość magazynowania energii , czyli akumulatorów litowo-powietrznych. W produkcji zielonego wodoru poprzez elektrolizę wody, powstawanie tlenu singletowego stanowi poważny problem, obniżając wydajność procesu i niszcząc materiały elektrolizerów.
Systemy biologiczne wiedzą, jak bronić się przed tlenem singletowym. Niezależnie od tego, czy zajmujemy się podstawową chemią, czy opracowujemy baterie, musimy czerpać inspirację z biologii, aby utrzymać niską siłę napędową reakcji
Natura wypracowała skuteczne mechanizmy obronne, w tym regulację pH oraz enzymy takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, które neutralizują reaktywne formy tlenu. Inżynierowie mogą teraz adaptować te strategie w systemach stworzonych przez człowieka. Jak podsumowują sami zainteresowani, wpływ powstawania tlenu singletowego na wydajność rozszczepiania wody i potencjalną degradację nośnika węglowego elektrolizera wymaga dalszych badań. Rozwiązanie dwudziestoletniej zagadki to dopiero początek. Przed naukowcami i inżynierami stoi teraz zadanie przełożenia tej wiedzy na praktyczne zastosowania. Jeśli uda się skutecznie kontrolować powstawanie reaktywnego tlenu, możemy spodziewać się postępu w projektowaniu wydajniejszych systemów energetycznych.