สารป้องกันการแข็งตัว ฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ เว็บตรง ตามธรรมชาติดีกว่าสำหรับสัตว์ป่า—และใบเรียกเก็บเงินช่างของเราโดย MONIKA BLESZYNSKI/THE CONVERSATION | เผยแพร่เมื่อ 1 ก.พ. 2564 19:22 น.
เทคโนโลยี
สิ่งแวดล้อม
ศาสตร์
รถบรรทุกสีส้มโรยเกลือบนรันเวย์สนามบินที่เต็มไปด้วยหิมะ
เกลือสินเธาว์ช่วยขจัดน้ำแข็งได้ดีเยี่ยม แต่อาจส่งผลเสียต่อระบบน้ำและสิ่งมีชีวิตในน้ำ Gudella / รูปถ่ายเงินฝาก
แบ่งปัน
Monika Bleszynski เป็นนักวิทยาศาสตร์การวิจัยและผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยเดนเวอร์ เรื่องนี้เดิมให้ความสำคัญกับThe Conversation
หลายคนเชื่อมโยงหิมะที่ตกใหม่เข้ากับความสุข เช่น ช็อกโกแลตร้อนและกีฬาฤดูหนาว แต่สำหรับชาวเมือง อาจหมายถึงเกลือที่เกาะติดกับรองเท้า ชายกระโปรง และรถยนต์ นั่นเป็นเพราะว่าทันทีที่ปรอทลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งและการตกตะกอนในการคาดการณ์ รัฐบาลท้องถิ่นจะเริ่มกระจายเกลือที่ละลายน้ำแข็งเพื่อป้องกันไม่ให้ถนนกลายเป็นน้ำแข็ง
เกลือเหล่านี้เป็นเกลือแกงในรูปแบบ
ที่ไม่ผ่านการกลั่น หรือโซเดียมคลอไรด์แต่ยังสามารถรวมถึงสารประกอบอื่นๆ เช่น แมกนีเซียมคลอไรด์และโพแทสเซียมคลอไรด์ พวกมันทำงานโดยลดจุดเยือกแข็งของน้ำ
เกลือละลายน้ำแข็งยังสร้างความเสียหายอย่างมากต่อรถยนต์ โครงสร้างพื้นฐาน และสิ่งแวดล้อม และเมืองต่างๆ ก็ใช้ในปริมาณมหาศาล—เกือบ20 ล้านตันต่อปีในเมือง Snowbelt ของสหรัฐอเมริกาในแคนาดา ยุโรป และญี่ปุ่นก็ใช้เกลือละลายน้ำแข็งอย่างหนักเช่นกัน
แต่ตัวเลือกใหม่อยู่ในระหว่างดำเนินการ ฉันเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่กำลังมองหาวิธีแก้ปัญหาสำหรับทางเท้าที่เค็มเกินไปของเราโดยการวิเคราะห์วิธีที่โลกธรรมชาติจัดการกับน้ำแข็ง ปลา แมลง และแม้แต่พืชบางชนิดได้เรียนรู้ที่จะปรับตัวให้เข้ากับสภาพอากาศหนาวเย็นมาเป็นเวลาหลายแสนปีโดยการสร้างสารป้องกันการแข็งตัวของพวกมันเองเพื่อให้สามารถอยู่รอดได้ในอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ด้วยการใช้เพจจากธรรมชาติ ฉันและเพื่อนร่วมงานหวังว่าจะพัฒนาสารป้องกันการแข็งตัวที่มีประสิทธิภาพแต่มีความอ่อนโยนมากขึ้น
ผลกระทบที่เป็นอันตรายของเกลือ
อย่างที่ผู้ขับขี่หลายคนทราบดีอยู่แล้วว่าเกลือบนท้องถนนช่วยลดชีวิตของรถยนต์ด้วยการเร่งกระบวนการเกิดสนิม การศึกษาในปี 2010 ประมาณการว่าการใช้เกลือละลายน้ำแข็งทำให้ผู้ขับขี่ในสหรัฐฯ เสียค่าใช้จ่าย23.4 พันล้านดอลลาร์ทั่วประเทศต่อปีในความเสียหายของรถยนต์อันเนื่องมาจากการกัดกร่อน
เกลือของถนนยังสร้างความเสียหายให้กับพื้นผิวที่เราขับด้วย ประกอบด้วยคลอรีนไอออน—อะตอมที่มีประจุลบ—ที่เปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีของน้ำและทำให้กัดกร่อนมากขึ้นเมื่อสัมผัสกับวัสดุ เช่น คอนกรีตและเหล็ก
เป็นผลให้เกลือถนนเพิ่มสายพันธุ์ที่มีอยู่บนโครงสร้างอายุ เกลือขจัดน้ำแข็งมีส่วนทำให้เกิดความล้มเหลวของสะพานและทำให้เกิดการแตกร้าวและสภาพดินฟ้าอากาศในรูปแบบอื่นๆ บนพื้นผิวทางหลวง
เกลือขจัดน้ำแข็งมีผลอย่างกว้างขวางในธรรมชาติเช่นกัน หากคุณขับรถไปตามถนนที่เป็นป่าหลังจากฤดูหนาวที่มีหิมะตกยาวนาน คุณอาจสังเกตเห็นว่าต้นไม้ข้างถนนนั้นมีสีน้ำตาลมากกว่าต้นไม้อื่นเล็กน้อย นั่นเป็นเพราะเกลือของถนนจะแทนที่แร่ธาตุในดินและน้ำใต้ดิน ทำให้เกิดสภาวะที่เรียก ว่าความแห้งแล้ง ทางสรีรวิทยา
ซึ่งหมายความว่าต้นไม้ไม่สามารถดูดน้ำผ่านรากของมันได้ แม้ว่าจะมีอยู่ในดินอย่างอิสระก็ตาม เมื่อสภาพภัยแล้งตามธรรมชาติมีอยู่แล้ว ในสถานที่เช่นโคโลราโด ความแห้งแล้งทางสรีรวิทยาสามารถเพิ่มความเสี่ยงของการเกิดไฟป่าโดยการทำให้พืชมีแนวโน้มที่จะติดไฟมากขึ้น
ลำธาร แม่น้ำ และทะเลสาบมีความเสี่ยง
เป็นพิเศษต่อการไหลบ่าของน้ำที่มีเกลือขจัดน้ำแข็ง คลอรีนจากเกลือสามารถยับยั้งไม่ให้ปลาวางไข่และลดระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำซึ่งเป็นอันตรายต่อปลาและสัตว์น้ำอื่นๆ การไหลบ่าของเกลือยังสามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตของไซยาโนแบคทีเรีย ที่เป็นอันตราย หรือที่เรียกว่าสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินบางรูปแบบผลิตสารพิษที่สามารถทำให้มนุษย์หรือสัตว์ป่วยที่กินพวกมันในน้ำดื่มได้
สารป้องกันการแข็งตัวตามธรรมชาติ
ทางเลือกอื่นในการขจัดน้ำแข็งควรไม่เป็นพิษและแตกออกเป็นส่วนประกอบที่ไม่เป็นพิษเป็นภัย—แต่อย่าเร็วเกินไป มิฉะนั้นผลกระทบจะไม่คงอยู่ เพื่อดูว่าเหตุใดจึงสำคัญ ให้พิจารณา โพรพิลีนไกลคอล ซึ่งใช้ในการขจัด น้ำแข็งเครื่องบิน
โพรพิลีนไกลคอลเป็นที่ต้องการสำหรับจุดประสงค์นี้เนื่องจากมีพิษน้อยกว่าเอทิลีนไกลคอลที่ช่วยให้หม้อน้ำรถยนต์ของคุณไม่แข็งตัว แต่ผลกระทบของโพรพิลีนไกลคอลนั้นมีอายุสั้น ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วเครื่องบินสามารถรอได้ในช่วงเวลาจำกัดระหว่างการกำจัดน้ำแข็งและการบินขึ้น นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้โพรพิลีนไกลคอลไม่ค่อยถูกฉีดพ่นบนถนนและพื้นผิว นอกจากนี้ แม้ว่าโดยทั่วไปจะจัดว่าปลอดภัยสำหรับมนุษย์ แต่ก็ยังเป็นอันตรายถึงชีวิตสำหรับสิ่งมีชีวิตในน้ำ
แล้วทางเลือกธรรมชาติล่ะ? นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบแมลงและแมงมุมในอลาสก้าที่สร้างโปรตีนต้านการแข็งตัวในร่างกายของพวกมัน ซึ่งทำให้จุดเยือกแข็งของน้ำลดลงสองสามองศา และปลาบางชนิด เช่นปลาฟันแอนตาร์กติก ( Dissostichus mawsoni )จะสร้างสารป้องกันการแข็งตัวของไกลโคโปรตีนที่ป้องกันไม่ให้เลือดในเส้นเลือดแข็งตัวในน่านน้ำที่เย็นที่สุดในโลก
ภาพประกอบโปรตีนป้องกันการแข็งตัว
โปรตีนต้านการแข็งตัวที่ผลิตโดย (จากซ้ายไปขวา) ปากท้องทะเล ปลาลิ้นหมาในฤดูหนาว ด้วงหนอนใยอาหารสีเหลือง ตัวมอดหน่อไม้สปรูซ และหมัดหิมะ ส่วนสีน้ำเงินอ่อนจะเกาะติดกับพื้นผิวของผลึกน้ำแข็งและทำให้ผลึกน้ำแข็งช้าลงหรือป้องกันไม่ให้เติบโต ธนาคารข้อมูลโปรตีน
ไกลโคโปรตีนเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างที่ละเอียดอ่อนซึ่งแตกตัวอย่างรวดเร็วในโลกภายนอกที่โหดร้าย แต่เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันกำลังเรียนรู้วิธีทำสารประกอบต้านการแข็งตัวของเราผ่านการเลียนแบบ ความท้าทายแรกของเราคือการเรียนรู้วิธีการทำงานของเวอร์ชันธรรมชาติ เพื่อให้เราสามารถสร้างขึ้นใหม่ได้
ในขณะที่ยังมีอีกหลายสิ่งที่เราไม่เข้าใจ เรากำลังใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ขั้นสูงเพื่อดูว่าโปรตีนต้านการแข็งตัวทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำอย่างไร นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้ค้นพบว่าไกลโคโปรตีนที่ป้องกันการแข็งตัวของปลาประกอบด้วยสองส่วนหลัก และบางส่วนมีความสำคัญมากกว่าส่วนอื่นๆ
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สารประกอบขนาดเล็ก
ที่เรียกว่าหมู่ไฮดรอกซิล ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจน ทำหน้าที่ส่วนใหญ่ สารประกอบขนาดเล็กเหล่านี้ล็อคเข้าที่ด้วยโมเลกุลของน้ำ เช่น กุญแจในล็อค เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำแข็งก่อตัว พวกเขายังเป็นส่วนหนึ่งของส่วนที่สำคัญที่สุดของโปรตีนที่จับกับพื้นผิวของผลึกน้ำแข็งที่กำลังพัฒนาและป้องกันไม่ให้มีขนาดใหญ่ขึ้น
โปรตีนต้านการแข็งตัวเป็นพอลิเมอร์ตามธรรมชาติ—โมเลกุลขนาดมหึมาซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่เกิดซ้ำที่เล็กกว่า เช่น ข้อต่อในสายโซ่ การสร้างสารประกอบเหล่านี้ขึ้นมาใหม่ไม่ใช่เรื่องง่าย แต่เราสามารถสร้างสารสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการได้ โดยเริ่มจากโพลิไวนิลแอลกอฮอล์หรือ PVA นี่เป็นสารประกอบที่เรียบง่ายและราคาไม่แพงซึ่งไม่เป็นพิษต่อมนุษย์และสัตว์น้ำและเป็นส่วนผสมทั่วไปในผลิตภัณฑ์ดูแลร่างกายในชีวิตประจำวันจำนวนมาก
PVA มีหมู่ไฮดรอกซิลเดียวกันกับที่พบในโปรตีนป้องกันการแข็งตัวของปลา การใช้วิศวกรรมเคมีเพียงเล็กน้อย เราสามารถเปลี่ยนแปลงตำแหน่งที่ไฮดรอกซิลเหล่านั้นอยู่ในโครงสร้างพอลิเมอร์ ทำให้เป็นเหมือนสารประกอบที่ผลิตขึ้นจากปลา ในอนาคต เราอาจจะเปลี่ยน PVA จากสารที่ใช้ในชีวิตประจำวันไปเป็นสารต่อสู้น้ำแข็งที่สามารถใช้ได้แทบทุกที่
เนื่องจาก PVA ไม่ลดระดับลงเร็วเกินไป จึงมีศักยภาพในการทำงานบนพื้นผิวที่ต้องปราศจากน้ำแข็ง เช่น ถนน ทางเท้า และราวจับ โครงสร้างทางเคมีที่ยาวทำให้เหมาะสำหรับการขึ้นรูปและปรับเป็นสเปรย์หรือสารเคลือบ สักวันหนึ่ง เมืองต่างๆ อาจต้องพึ่งพาในฤดูหนาวโดยใช้สารป้องกันการแข็งตัวที่ไม่เป็นพิษ ซึ่งจะไม่ทำให้เสื้อผ้าของคุณเปื้อนหรือกัดกร่อนรถของคุณฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ เว็บตรง
