Monika Bleszynski 是丹佛大学的研究科学家和兼职教授。本文最初发布于 The Conversation。
许多人将新鲜的降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，这也可能意味着厚厚的盐会粘在鞋子、衣物下摆和汽车上。这是因为一旦气温降至冰点以下且有降水预报，当地政府就开始撒融冰盐，以防止道路结冰。
这些盐通常是精炼程度较低的食盐，即氯化钠，但也可能包含其他化合物，如氯化镁和氯化钾。它们的作用是降低水的冰点。
融冰盐还会对汽车、基础设施和环境造成严重损害。城市每年在美国的冰雪带城市使用近 2000 万吨。加拿大、欧洲和日本也大量使用融冰盐。
但新的选择正在研究中。我是一名材料科学家，通过分析自然界处理冰的方式来寻找解决人行道盐污染过多的方法。鱼类、昆虫甚至一些植物在数十万年的时间里，通过制造自己的防冻剂来适应寒冷气候，从而在零度以下生存。通过借鉴大自然的经验，我和我的同事们希望开发出有效但更温和的防冻剂。
盐的有害影响
正如许多司机深知的那样，路面盐通过加速生锈过程来缩短汽车寿命。2010 年的一项研究估计，融冰盐的使用每年给美国司机造成的车辆腐蚀损坏费用高达全国 234 亿美元。
路面盐还会损坏我们行驶的路面。它们含有氯离子——带负电的原子——这些原子会改变水的化学性质，使其在接触混凝土和钢等材料时更具腐蚀性。
因此，路面盐加剧了现有老旧结构的压力。融冰盐导致了桥梁垮塌，并导致高速公路路面开裂和其他形式的风化。
融冰盐对自然界也有广泛的影响。如果在漫长而寒冷的冬天过后，你沿着一条林荫公路行驶，你可能会注意到路边的树木比其他树木看起来更黄一些。这是因为路面盐会置换土壤和地下水中的矿物质，造成一种称为生理性干旱的状况。
这意味着，即使土壤中有充足的水分，树木也无法通过根系吸收水分。当科罗拉多等地本已存在自然干旱条件时，生理性干旱会使植物更容易着火，从而增加野火的风险。
溪流、河流和湖泊尤其容易受到含有融冰盐的径流的影响。盐中的氯会阻碍鱼类产卵，并降低水中的溶解氧水平，这对鱼类和其他水生生物有害。含盐的径流还会促进危险的蓝藻（也称为蓝细菌）的生长。一些蓝藻会产生毒素，可能使饮用这些水的居民或动物生病。
天然防冻剂
一种替代的融冰选择应该是无毒的，并且能分解成无害的成分——但又不能分解得太快，否则效果会不持久。要了解这一点的重要性，可以考虑用于飞机除冰的丙二醇。
出于这个目的，丙二醇比用于防止汽车散热器结冰的乙二醇毒性要小，因此更受青睐。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有限的时间。这也是为什么丙二醇很少被喷洒在道路和路面上的原因。此外，虽然它通常被归类为对人类安全，但它对水生生物来说仍可能致命。
天然替代品怎么样？科学家们在阿拉斯加发现了昆虫和蜘蛛，它们能在体内产生防冻蛋白，将水的冰点降低几度。有些鱼类，如南极犬牙鱼（Dissostichus mawsoni），会产生防冻糖蛋白，以防止它们的血液在地球上最冷的水域中结冰。
这些糖蛋白大多是脆弱的结构，在恶劣的外部环境中会迅速分解。但我和我的同事们正在通过模仿来学习如何制造我们自己的防冻剂。我们的第一个挑战是了解天然防冻剂的工作原理，以便我们能够重新创造它们。
虽然我们还有很多不了解的地方，但我们正在使用先进的计算机建模来观察防冻蛋白如何与水分子相互作用。其他科学家发现，鱼类防冻糖蛋白包含两个主要部分，其中某些部分比其他部分更重要。
具体来说，称为羟基的小化合物（由氢原子和氧原子组成）完成了大部分工作。这些小化合物就像锁和钥匙一样与水分子结合，以防止冰的形成。它们也是结合到任何正在形成的冰晶表面并阻止其变大的蛋白质关键部分的组成部分。
防冻蛋白是天然聚合物——由小的重复分子组成的大分子，就像链条中的环节一样。重新创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，并且是许多日常个人护理产品中的常见成分。
PVA 含有与鱼类防冻蛋白相同的羟基。通过一点化学工程，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，我们也许能够将 PVA 从一种日常化合物转变为一种可用于几乎任何地方的抗冰物质。
由于 PVA 不会过快降解，因此它有可能用于需要保持无冰的表面，例如道路、人行道和扶手。其长化学结构使其适合塑形和制成喷雾或涂层。总有一天，城市在冬季可能会依赖无毒的喷涂式防冻剂，这些防冻剂不会弄脏衣物或腐蚀汽车。
