鱼血或能为暴风雪期间提供更安全的除冰解决方案

Monika Bleszynski 是丹佛大学的一名研究科学家和兼职教授。本文最初发表于The Conversation 。

许多人将新雪与热巧克力和冬季运动等乐趣联系在一起。但对于城市居民来说，新雪还意味着结块的盐，粘在鞋子、衣服下摆和汽车上。这是因为一旦气温降至冰点以下，预报有降水，当地政府就会开始撒除冰盐，以防止道路结冰。

这些盐通常是精炼程度较低的食盐或氯化钠，但也可能含有其他化合物，如氯化镁和氯化钾。它们的作用是降低水的凝固点。

除冰盐还会对汽车、基础设施和环境造成严重损害。城市使用除冰盐的量非常大——美国每年使用近 2000 万吨除冰盐。加拿大、欧洲和日本的雪带城市也大量使用除冰盐。

但新的选择正在酝酿之中。我是一名材料科学家，正在通过分析自然界处理冰的方式，寻找解决人行道上盐分过多问题的方法。鱼类、昆虫，甚至一些植物，在数十万年的时间里，都学会了通过制造自己的防冻剂来适应寒冷的气候，以在零度以下的温度下生存。通过借鉴大自然的经验，我和我的同事希望开发出有效但更温和的防冻剂。

盐的有害影响

许多司机都很清楚，道路盐会加速生锈过程，缩短汽车寿命。2010 年的一项研究估计，美国司机每年因使用除冰盐而导致的车辆腐蚀损失高达 234 亿美元。

道路盐还会损坏我们行驶的路面。它们含有氯离子（带负电荷的原子），会改变水的化学性质，使水与混凝土和钢铁等材料接触时更具腐蚀性。

因此，道路盐会增加老化结构现有的压力。除冰盐会导致桥梁倒塌，并导致公路表面开裂和其他形式的风化。

除冰盐在自然界也有广泛的影响。如果你在漫长的雪冬之后沿着森林公路行驶，你可能会注意到路边的树木看起来比其他树木更棕色一些。这是因为道路盐取代了土壤和地下水中的矿物质，造成了一种被称为生理干旱的状况。

这意味着树木无法通过根部吸收水分，即使土壤中有大量水分。当自然干旱条件已经存在时，在科罗拉多州等地，生理干旱会使植物更容易着火，从而增加野火的风险。

溪流、河流和湖泊特别容易受到含有除冰盐的水流的影响。盐中的氯会抑制鱼类产卵，降低水中的溶解氧水平，从而危害鱼类和其他水生生物。含盐的径流还会促进危险的蓝藻（也称为蓝绿藻）的生长。某些蓝绿藻会产生毒素，人类或动物在饮用水中食用这些毒素后会生病。

天然防冻剂

另一种除冰方法应该是无毒的，并且分解成无害的成分——但分解速度不能太快，否则其效果不会持久。要了解这一点的重要性，可以考虑用于飞机除冰的丙二醇。

丙二醇是首选，因为它的毒性比防止汽车散热器结冰的乙二醇小。但丙二醇的效果是短暂的，所以飞机通常只能在除冰和起飞之间等待一段有限的时间。这也是为什么丙二醇很少喷洒在道路和地面上的原因。此外，虽然它通常被归类为对人类无害，但对水生生物来说仍然是致命的。

那么天然替代品呢？科学家在阿拉斯加发现，昆虫和蜘蛛体内会产生抗冻蛋白，使水的冰点降低几度。有些鱼，如南极齿鱼（ Dissostichus mawsoni ），会产生抗冻糖蛋白，防止其血管中的血液在地球上最冷的水域结冰。

这些糖蛋白大多结构脆弱，在恶劣的外界环境中会迅速分解。但我和同事正在学习如何通过模仿制造自己的防冻剂。我们面临的第一个挑战是了解天然版本的工作原理，以便我们能够重新创造它们。

虽然还有很多我们不明白的地方，但我们正在使用先进的计算机模型来观察抗冻蛋白如何与水分子相互作用。其他科学家发现，鱼类抗冻糖蛋白含有两个主要部分，其中某些部分比其他部分更为重要。

具体来说，由氢原子和氧原子组成的小化合物羟基承担了大部分工作。这些小化合物与水分子锁定在一起，就像钥匙与锁的结合一样，防止冰形成。它们也是蛋白质最关键部分的一部分，这些蛋白质与正在形成的冰晶表面结合，防止冰晶变大。

抗冻蛋白是天然聚合物，由较小的重复分子组成，就像链条中的链环一样，是巨大的长分子。重新制造这些化合物并非易事，但我们可以在实验室中制造自己的合成版本，从聚乙烯醇 (PVA) 开始。这是一种简单、廉价的化合物，对人类和水生生物无毒，是许多日常个人护理产品的常见成分。

PVA 含有与鱼类抗冻蛋白相同的羟基。利用一些化学工程，我们可以改变这些羟​​基在聚合物结构中的位置，使其更像鱼类产生的化合物。未来，我们可能能够将 PVA 从日常化合物转变为几乎可以在任何地方使用的抗冰物质。

由于 PVA 降解速度不会太快，因此它有可能在需要保持无冰的表面（如道路、人行道和扶手）上发挥作用。其化学结构较长，适合成型并制成喷雾剂或涂料。将来有一天，城市可能会在冬天依赖无毒的喷雾防冻剂，这种防冻剂不会弄脏您的衣服或腐蚀您的汽车。