بسیاری از مردم برف تازه را با لذت‌هایی مثل شکلات داغ و ورزش‌های زمستانی مرتبط می‌دانند. اما برای ساکنان شهر، این می‌تواند به معنای نمکی باشد که به کفش‌ها، لبه لباس‌ها و خودروها می‌چسبد. دلیلش این است که وقتی دما به زیر صفر می‌رسد و بارش در پیش‌بینی باشد، شهرداری ها و راه داری ها شروع به پاشیدن نمک‌های یخ‌زدا می‌کنند تا جاده‌ها یخ نزنند.
این نمک‌ها معمولاً شکلی کمتر تصفیه‌شده از نمک خوراکی، یا سدیم کلرید، هستند، اما می‌توانند شامل ترکیبات دیگری مثل منیزیم کلرید و پتاسیم کلرید هم باشند. آنها با کاهش نقطه انجماد آب کار می‌کنند.
نمک‌های یخ‌زدا همچنین آسیب‌های گسترده‌ای به خودروها، زیرساخت‌ها و محیط زیست وارد می‌کنند. و شهرها از آنها به مقدار عظیم استفاده می‌کنند - نزدیک به ۲۰ میلیون تن در سال فقط در کمربند برفی ایالات متحده. شهرهای برفی کانادا، اروپا و ژاپن نیز به شدت از نمک‌های یخ‌زدا استفاده می‌کنند.
اما گزینه‌های جدیدی در حال توسعه هستند. من یک دانشمند مواد هستم که به دنبال راه‌حل‌هایی برای پیاده‌روهای بیش از حد نمک‌زده‌مان با تحلیل روش‌هایی که طبیعت با یخ مقابله می‌کند، می‌گردم. ماهی‌ها، حشرات و حتی برخی گیاهان طی صدها هزار سال با تولید عوامل ضد یخ خودشان در آب‌وهوای سرد سازگار شده‌اند تا در دماهای زیر صفر زنده بمانند. با الهام از طبیعت، من و همکارانم امیدواریم ترکیبات ضد یخ مؤثر اما کم‌ضررتری توسعه دهیم.
اثرات مضر نمک
همان‌طور که بسیاری از رانندگان خوب می‌دانند، نمک جاده طول عمر خودروها را با تسریع فرآیند زنگ‌زدگی کاهش می‌دهد. مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۰ تخمین زد که استفاده از نمک‌های یخ‌زدا سالانه ۲۳.۴ میلیارد دلار خسارت به خودروها در سراسر ایالات متحده به دلیل خوردگی وارد می‌کند. نمک‌های جاده همچنین به سطوحی که روی آنها رانندگی می‌کنیم آسیب می‌زنند. آنها حاوی یون‌های کلر - اتم‌هایی با بار منفی - هستند که شیمی آب را تغییر می‌دهند و آن را وقتی با موادی مثل بتن و فولاد تماس پیدا می‌کند، خورنده‌تر می‌کنند.
در نتیجه، نمک‌های جاده فشارهای موجود بر سازه‌های قدیمی را افزایش می‌دهند. نمک‌های یخ‌زدا به شکست پل‌ها کمک کرده و ترک‌خوردگی و دیگر اشکال هوازدگی را در سطح بزرگراه‌ها ایجاد می‌کنند.
نمک‌های یخ‌زدا اثرات گسترده‌ای در طبیعت هم دارند. اگر بعد از یک زمستان برفی طولانی در جاده‌ای جنگلی رانندگی کنید، ممکن است متوجه شوید درختان کنار جاده کمی قهوه‌ای‌تر از بقیه به نظر می‌رسند. این به این دلیل است که نمک‌های جاده مواد معدنی را در خاک و آب‌های زیرزمینی جابه‌جا می‌کنند و شرایطی به نام خشکسالی فیزیولوژیکی ایجاد می‌کنند.
این یعنی درختان حتی اگر آب به‌صورت آزاد در خاک موجود باشد، نمی‌توانند آن را از طریق ریشه‌هایشان جذب کنند. وقتی شرایط خشکسالی طبیعی از قبل وجود داشته باشد، مثل برخی مناطق کلرادو، خشکسالی فیزیولوژیکی می‌تواند خطر آتش‌سوزی جنگلی را با قابل اشتعال‌تر کردن گیاهان افزایش دهد.
جویبارها، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها به‌ویژه در برابر رواناب حاوی نمک‌های یخ‌زدا آسیب‌پذیرند. کلر موجود در نمک می‌تواند مانع تخم‌ریزی ماهی‌ها شود و سطح اکسیژن محلول در آب را کاهش دهد، که به ماهی‌ها و دیگر موجودات آبزی آسیب می‌زند. رواناب پر از نمک همچنین می‌تواند رشد سیانوباکتری‌های خطرناک، معروف به جلبک سبز-آبی، را تقویت کند. برخی انواع جلبک سبز-آبی سمومی تولید می‌کنند که می‌توانند انسان‌ها یا حیواناتی را که از آب آشامیدنی حاوی آنها استفاده می‌کنند، بیمار کنند.
ضد یخ‌های طبیعی
یک گزینه یخ‌زدای جایگزین باید غیرسمی باشد و به اجزای بی‌ضرر تجزیه شود - اما نه خیلی سریع، وگرنه اثراتش دوام نمی‌آورد. برای درک اهمیت این موضوع، پروپیلن گلیکول را در نظر بگیرید که برای یخ‌زدایی هواپیماها استفاده می‌شود.
پروپیلن گلیکول برای این منظور ترجیح داده می‌شود زیرا نسبت به اتیلن گلیکولی که رادیاتور خودروی شما را از یخ زدن محافظت می‌کند، سمیت کمتری دارد. اما اثرات پروپیلن گلیکول کوتاه‌مدت است، بنابراین هواپیماها معمولاً فقط برای مدت محدودی بین یخ‌زدایی و برخاستن می‌توانند صبر کنند. به همین دلیل هم پروپیلن گلیکول به‌ندرت روی جاده‌ها و سطوح پاشیده می‌شود. علاوه بر این، اگرچه به‌طور کلی برای انسان‌ها بی‌خطر طبقه‌بندی می‌شود، اما همچنان می‌تواند برای حیات آبزی کشنده باشد.
ماهی دندان‌دار قطب جنوب در سردترین آب‌های زمین شنا می‌کند، به لطف پروتئین‌های ضد یخ طبیعی موجود در بافت‌هایش. پل زیکو/ویکی‌پدیا، CC BY
چه گزینه‌های طبیعی وجود دارد؟ دانشمندان حشرات و عنکبوت‌هایی را در آلاسکا یافته‌اند که پروتئین‌های ضد یخ را در بدنشان تولید می‌کنند و نقطه انجماد آب را چند درجه پایین می‌آورند. و برخی ماهی‌ها، مثل ماهی دندان‌دار قطب جنوب (Dissostichus mawsoni)، گلیکوپروتئین‌های ضد یخ تولید می‌کنند که از یخ زدن خون در رگ‌هایشان در سردترین آب‌های زمین جلوگیری می‌کند.
بیشتر این گلیکوپروتئین‌ها ساختارهای ظریفی هستند که در دنیای خشن بیرون به‌سرعت تجزیه می‌شوند. اما من و همکارانم در حال یادگیری چگونگی ساخت ترکیبات ضد یخ خودمان از طریق تقلید هستیم. اولین چالش ما این است که بفهمیم نسخه‌های طبیعی چگونه کار می‌کنند تا بتوانیم آنها را بازسازی کنیم.
در حالی که هنوز چیزهای زیادی نمی‌دانیم، از مدل‌سازی پیشرفته کامپیوتری استفاده می‌کنیم تا ببینیم پروتئین‌های ضد یخ چگونه با مولکول‌های آب تعامل دارند. دانشمندان دیگر کشف کرده‌اند که گلیکوپروتئین‌های ضد یخ ماهی‌ها شامل دو بخش اصلی هستند و برخی بخش‌ها از بقیه ضروری‌ترند.
به‌طور خاص، ترکیبات کوچک به نام گروه‌های هیدروکسیل، که از اتم‌های هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌اند، بیشتر کار را انجام می‌دهند. این ترکیبات کوچک با مولکول‌های آب قفل می‌شوند، مثل کلیدی در قفل، تا از تشکیل یخ جلوگیری کنند. آنها همچنین بخشی از مهم‌ترین بخش‌های پروتئین‌هایی هستند که به سطح کریستال‌های یخ در حال تشکیل متصل می‌شوند و از بزرگ‌تر شدن آنها جلوگیری می‌کنند.
پروتئین‌های ضد یخ تولیدشده توسط (از چپ به راست) ماهی اقیانوس پوت، فلاندر زمستانی، سوسک زرد کرم آرد، پروانه جوانه کاج و کک برفی. بخش‌های آبی روشن‌تر به سطح کریستال‌های یخ متصل می‌شوند و رشد آنها را کند کرده یا از آن جلوگیری می‌کنند. بانک داده پروتئین
پروتئین‌های ضد یخ پلیمرهای طبیعی هستند - مولکول‌های عظیم بلندی که از مولکول‌های کوچک‌تر تکرارشونده تشکیل شده‌اند، مثل حلقه‌های یک زنجیر. بازسازی این ترکیبات کار آسانی نیست، اما ما می‌توانیم نسخه‌های مصنوعی خودمان را در آزمایشگاه بسازیم، با شروع از پلی‌وینیل الکل، یا PVA. این یک ترکیب ساده و ارزان است که برای انسان‌ها و حیات آبزی غیرسمی است و ماده‌ای رایج در بسیاری از محصولات مراقبت شخصی روزمره است.
PVA حاوی همان گروه‌های هیدروکسیل موجود در پروتئین‌های ضد یخ ماهی‌هاست. با کمی مهندسی شیمیایی، می‌توانیم مکان این هیدروکسیل‌ها را در ساختار پلیمر تغییر دهیم و آن را شبیه‌تر به ترکیباتی کنیم که ماهی‌ها تولید می‌کنند. در آینده، ممکن است بتوانیم PVA را از یک ترکیب روزمره به ماده‌ای ضد یخ تبدیل کنیم که تقریبا در هر جایی قابل استفاده باشد.
چون PVA خیلی سریع تجزیه نمی‌شود، پتانسیل این را دارد که روی سطوحی که باید بدون یخ بمانند، مثل جاده‌ها، پیاده‌روها و نرده‌ها، کار کند. ساختار شیمیایی بلندش آن را برای شکل‌دهی و سازگار کردن به صورت اسپری یا پوشش مناسب می‌کند. شاید روزی شهرها در زمستان به ضد یخ‌های غیرسمی اسپری‌شونده‌ای تکیه کنند که لباس‌هایتان را لکه‌دار نکند یا خودرویتان را دچار خوردگی نکند.
