许多人把一个新的降雪和快乐如热巧克力和冬季运动。但对于城市居民来说,这也就意味着caked-on盐,坚持鞋子,衣服下摆和汽车。这是因为一旦水星跌破冰点和降水预报,地方政府开始传播除冰盐防止道路结冰。
这些盐通常一种少精的食盐或氯化钠,还可以包括其它化合物、氯化镁、氯化钾等。他们的工作降低水的冰点。
除冰盐也广泛损害汽车、基础设施和环境。和城市数量巨大——几乎使用它们2000万吨每年在美国多雪地带的城市加拿大、欧洲和日本还大量使用除冰盐。
但新选项。我是一个材料科学家寻求解决方案,我们过于咸人行道通过分析自然世界的方法处理冰。鱼,昆虫,甚至一些植物已经学会适应寒冷气候的数十万年来通过自己的防冻剂代理生存低于冰点的温度。通过一个页面从自然,我和我的同事希望开发出有效的但更良性的防冻化合物。
盐有害的影响
许多司机都知道太好,路盐可以减少汽车的生活加速生锈的过程。2010年的一项研究估计,美国司机除冰盐的使用成本全国234亿美元每年在车辆损失由于腐蚀。
路盐也损害表面我们开车。它们含有氯离子,原子与一个负电荷,改变水的化学和使它更时接触腐蚀性材料,如混凝土和钢铁。
因此,道路盐增加现有的菌株老龄结构。除冰盐了桥的失败和导致开裂和其他形式的风化在高速公路的表面。
科学家们发现昆虫和蜘蛛在阿拉斯加,创建抗冻蛋白在体内,降低水的冰点,几度。
除冰盐在本质上具有广泛的影响。如果你开车沿着森林道路经过长时间的白雪皑皑的冬天,你会注意到树木旁边的路看起来有点比其他人更多的棕色。这是因为道路盐取代矿物在土壤和地下水中,创建一个称为条件生理干旱。
这意味着树不能占用水通过根部土壤中即使是免费的。当自然干旱条件已经存在,在科罗拉多、生理干旱可以增加火灾的风险,使植物更容易着火。
流,河流和湖泊尤其容易受水径流包含除冰盐。氯盐可以抑制鱼类产卵和减少水溶氧水平,这对鱼类和其他水生生物的伤害。富含盐分的流失也可以促进增长的危险蓝藻,也被称为蓝绿藻。某些形式的蓝绿藻产生毒素人类或动物患病饮用水中使用它们。
自然的防冻液
另一种除冰选择应无毒、分解成良性的组件——但不是太快,或其影响不会持久。明白为什么这是重要的,考虑propyplene甘醇,脱冰飞机使用。
为此丙二醇是首选,因为它是更少的有毒的乙二醇可以防止你的汽车散热器冻结。但丙二醇的影响是短暂的,所以飞机通常只能等待之间的有限时间内除冰和起飞。这也是为什么丙二醇是很少在道路和表面喷涂。此外,尽管它通常分为安全对于人类来说,它还可以致命的水生生物。
自然选择呢?科学家们发现昆虫和蜘蛛在阿拉斯加创建抗冻蛋白在体内,降低水的冰点,几度。和一些鱼,等南极牙(Dissostichus mawsoni),创建抗冻糖蛋白,防止血管中的血液冻结的冷的水在地球上。
大多数这些糖蛋白的结构分解迅速在严酷的外部世界。但是我和我的同事学习如何制作自己的防冻化合物通过模仿。我们的第一个挑战是了解自然版本工作我们可以重新创建它们。
虽然还有很多我们不懂,我们使用先进的计算机建模抗冻蛋白与水分子相互作用。其他科学家发现,鱼类抗冻糖蛋白包含两个主要部分,某些部分是比别人更重要。
具体地说,小化合物羟基,这由氢原子和氧原子组成,做的大部分工作。这些小的化合物与水分子锁到位,像一个键锁,防止冰的形成。他们也是最关键的部分的一部分蛋白质绑定到任何发展中冰晶的表面,防止他们越来越大。
抗冻蛋白是天然聚合物,巨大的分子组成的小分子,重复这样的链接在一个链。重新创建这些化合物并非易事,但我们可以创造我们自己的实验室中合成版本,从聚乙烯醇或PVA。这是一个简单、廉价的复合对人类和水生生物无毒,是一种常见的成分在许多日常个人护理产品。
PVA包含相同的羟基在鱼类抗冻蛋白。使用化学工程,我们可以改变那些氢氧根在聚合物结构,使它更像鱼产生的化合物。在将来,我们也许能够改变PVA的日常复合成一个ice-fighting物质,可以使用几乎任何地方。
因为PVA降解过快,有可能工作表面必须保持无冰的,如道路、人行道和扶手。其漫长的化学结构使它适合塑造和调整喷雾或涂料。有一天城市会在冬天依赖无毒喷涂防冻液,不会影响你的衣服或腐蚀你的车。
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