Zespół Stefana Freunbergera z Institute of Science and Technology Austria dokonał odkrycia, które może zmienić nasze podejście do projektowania baterii i zrozumienia procesów starzenia. Ich praca, opublikowana w czasopiśmie Nature, kończy trwające dekady dyskusje na temat warunków powstawania tej destrukcyjnej formy tlenu.
Dlaczego tlen singletowy ma potencjał niszczący?
Tlen singletowy różni się od zwykłego tlenu, którym oddychamy, jedynie konfiguracją elektronów. Ta pozornie niewielka różnica sprawia, że staje się on niezwykle reaktywny i niebezpieczny dla organizmów żywych. W przeciwieństwie do swojego łagodniejszego odpowiednika, singletowy tlen działa jak molekularny niszczyciel. Nie ogranicza się wyłącznie do organizmów żywych – potrafi również niszczyć komponenty niektórych baterii, powodując ich korozję od wewnątrz. To właśnie ta wszechstronność destrukcyjnego działania czyniła go tak trudnym do zrozumienia.
Czytaj też: Nowe źródło tlenu na Ziemi. Naukowcy dokonali zdumiewającego odkrycia
Przełomowe ustalenia austriackich naukowców koncentrują się na mechanizmie kontrolującym powstawanie tej niebezpiecznej cząsteczki. Badacze odkryli, że kluczowym czynnikiem jest tzw. „iła napędowa reakcji chemicznej – różnica energii między substratami a produktami. W swoich eksperymentach rozpoczęli od cząsteczki nadtlenku, która uczestniczy w reakcjach wykorzystywanych przez mitochondria do zasilania komórek.
Odkryli, że teoria kinetyki Marcusa kontroluje ewolucję zarówno tlenu trypletowego, jak i singletowego z ponadtlenku. Najważniejsze ustalenie brzmi: aby powstał tlen singletowy, siła napędowa reakcji musi być bardzo wysoka. Wraz ze wzrostem tej siły ewolucja normalnego tlenu zwalnia, a destrukcyjna forma singletowa staje się dominująca. Badacze precyzyjnie określili, że standardowa zmiana energii swobodnej dla przejścia tlenu singletowego wynosi 0,84 elektronowolta.
Stefan Freunberger przyznaje:
Naprawdę toczyła się zażarta debata na temat tego, czy tlen singletowy powstaje w środowisku komórek, czy też nie. Do tej pory nigdy tego nie wyjaśniono.
Nowe zrozumienie ma daleko idące konsekwencje zarówno dla biologii, jak i technologii. W kontekście komórkowym wyjaśnia, dlaczego mitochondria – centra energetyczne naszych komórek – są chronione przed destrukcyjnym działaniem tej cząsteczki. Mitochondria utrzymują wysokie wartości pH, które zapewniają niską siłę napędową reakcji, dzięki czemu tlen singletowy nie jest produkowany w dużych ilościach.
W dziedzinie technologii odkrycie otwiera nowe możliwości projektowania lepszych baterii. Analiza mechanizmów powstawania tlenu singletowego może pomóc wyjaśnić, dlaczego niektóre akumulatory korodują od wewnątrz. Zrozumienie tego procesu pozwoli inżynierom opracować strategie minimalizujące degradację poprzez kontrolowanie sił napędowych reakcji.
Prace grupy Freunbergera koncentrują się na elektrochemicznej nauce o materiałach, szczególnie w kontekście urządzeń do magazynowania energii. Ich odkrycia mogą przyczynić się do rozwoju czystszych i bardziej zrównoważonych źródeł energii, choć na praktyczne efekty przyjdzie nam pewnie jeszcze poczekać.