雪や凍結の天候の際には、道路塩に代わる手段が必要です。
道路塩は高価であるだけでなく、道路を傷め、自然に悪影響を及ぼすこともあります。
科学者たちは、魚、昆虫、さらには一部の植物で観察される不凍タンパク質の合成版の開発に取り組んでいます。
多くの人は、新雪を、ホットチョコレートやウィンタースポーツのような楽しみと結びつけます。しかし都市に住む人々にとっては、靴、衣服の裾、車に付着して固まる塩を意味することもあります。気温が氷点下に下がり、降水が予報されると、地方自治体は道路の凍結を防ぐために融雪塩の散布を始めます。
これらの塩は通常、精製度の低い食卓塩、すなわち塩化ナトリウムの一種ですが、塩化マグネシウムや塩化カリウムなどの他の化合物を含むこともあります。これらは水の凝固点を下げることで。
融雪塩は、自動車、インフラ、そして環境にも広範な被害を与えます。また、都市では膜大な量で使用されており、ほぼ2,000万トン（年間）、米国のスノーベルト地帯の都市ではカナダ、欧州、日本の都市でも融雪塩を大量に使用しています。
しかし、新たな選択肢も検討されています。私は材料科学者として、自然界が氷にどのように対処しているかを分析することで、過度に塩がまかれた歩道の解決策を探しています。魚、昆虫、さらには一部の植物は、数十万年にわたり、自ら不凍剤を作り出して氷点下の気温を生き延びることで、寒冷な気候に適応してきました。自然に学び、私と同僚は、効果的でありながらより環境に優しい不凍化合物の開発を目指しています。
塩の有害な影響
多くのドライバーがよく知っているように、道路塩は自動車の寿命を錆の進行を早めることで縮めます。2010年の研究では、融雪塩の使用により、米国のドライバーは全国で234億米ドル、腐食による車両損傷として毎年負担していると推定されました。
道路塩は、私たちが走る路面も傷めます。道路塩には塩素イオン（負の電荷を持つ原子）が含まれており、水の化学的性質を変え、コンクリートや鉄鎖などの材料に接触した際に、より腐食性を高めます。
その結果、道路塩は老望化した構造物における既存の負荷を増大させます。融雪塩は、橋梁の損壊の一因となっており、またひび割れやその他の風化を引き起こし、高速道路の路面に影響を与えています。
融雪塩は自然界にも広範な影響を及ぼしています。雪の多い冬が長く続いた後、森林沿いの道を走ると、道路沿いの木々が他の木々より少し茶色く見えることに気づくかもしれません。これは、道路塩が土壌や地下水中のミネラルを置き換え、生理的干ばつとして知られる状態を生み出すためです。
これは、土壌中に水が自由に存在していても、木々が根から水を吸収できないことを意味します。コロラド州のような自然の干ばつの状態がすでに存在する場所では、生理的干ばつにより植物が発火しやすくなることで、山火事のリスクが高まる可能性があります。
河川、川、湖は、融雪塩を含む流出水の影響を特に受けやすいです。塩に含まれる塩素は、魚の産卵を妨げ、水中の溶存酸素濃度を低下させることがあり、これは魚類やその他の水生生物に害を与えます。塩分を含んだ流出水は、また危険なシアノバクテリア（藍藻とも呼ばれます）の増殖を促すこともあります。藍藻の一部の種類は、毒素を生成し、それが人間や動物を病気にさせる可能性があり、それらは飲料水中で摂取されたものです。
天然の不凍剤
代替の除氷方法は、無毒で、無害な成分に分解されるものであるべきですが、分解が速すぎると効果が続きません。この点が重要な理由を考えるために、航空機の除氷に使用されるプロピレングリコールを考えてみましょう。
プロピレングリコールは、自動車のラジエーターが凍結するのを防ぐエチレングリコールより毒性が低いため、この目的に好まれています。しかし、プロピレングリコールの効果は短期間しか持続しないため、航空機は除氷から離陸までの間、限られた期間しか待てないのが一般的です。このため、プロピレングリコールが道路や路面に散布されることはまれです。さらに、人間にとって一般的には安全と分類されていますが、依然として水生生物にとっては致命的になりうるものです。
南極のメロは、体内の天然の不凍タンパク質のおかげで、地球上で最も冷たい海域を泳ぎます。
では、天然の代替品はどうでしょうか。科学者たちは、アラスカの昆虫やクモを発見しており、これらは体内で水の凝固点を数度下げる不凍タンパク質を生成します。また、南極メロ（Dissostichus mawsoni）などの一部の魚は、不凍糖タンパク質を生成して、血管内の血液が凍結するのを防いでいます。地球上で最も冷たい海域でも、凍結しないようにしています。
これらの糖タンパク質の多くは繊細な構造であり、過酷な外界では急速に分解されます。しかし、私と同僚は、模倣を通じて独自の不凍化合物を作る方法を学んでいます。私たちの最初の課題は、天然の不凍タンパク質がどのように機能するかを理解し、それを再現できるようにすることです。
まだ多くの点が理解されていませんが、私たちは高度なコンピューターモデリングを用いて、不凍タンパク質が水分子とどのように相互作用するかを調べています。他の科学者は、魚の不凍糖タンパク質が2つの主要な部分から構成されており、さらに特定の部分が他よりも不可欠であることを発見しています。
具体的には、水素原子と酸素原子からなるヒドロキシル基と呼ばれる小さな化合物が、大半の働きを担っています。これらの小さな化合物は、鍵が錠に収まるように水分子と結合し、氷の形成を防ぎます。また、タンパク質の最も重要な部分の一部でもあり、形成中の氷の結晶の表面に結合して、結晶が大きくなるのを防ぎます。
不凍タンパク質は天然の高分子であり、鎖の輪のように、より小さな繰り返し分子から構成された非常に長い分子です。これらの化合物を再現するのは容易ではありませんが、ポリビニルアルコール（PVA）から始めて、研究室で合成版を作ることができます。PVAは、単純で安価な化合物であり、人間や水生生物に対して無毒であり、多くの日常的なパーソナルケア製品に一般的に使われている成分です。
PVAは、魚の不凍タンパク質に見られるものと同じヒドロキシル基を含んでいます。化学工学の技術を用いれば、高分子構造内でそのヒドロキシル基の位置を変えることができ、魚が生成する化合物により近づけることができます。将来的には、PVAを日常的な化合物から、ほぼどこでも使用できる氷と戦う物質へと変えられるかもしれません。
PVAは急速に分解しないため、道路、歩道、手すりなど、凍結を防ぐ必要のある表面に作用する可能性があります。その長い化学構造により、スプレーやコーティングへの成形や適応が可能です。いつの日か、都市は冬季に、衣服を汚したり車を腐食させたりしない無毒のスプレー式不凍剤に頼るようになるかもしれません。
