1150万美元承诺用于生态友好的冰雪控制

Sudeep Sharma peers into a white cabinet. He is holding a micropipette, which has a plunger instead of a bulb. The transparent, plastic tip of the micropipette is aimed into the box.

在Anish Tuteja的实验室工作的材料科学与工程博士后研究员Sudeep Sharma正在进行研究向冷却装置注入水。每个液滴都会消失加入一种不同的化学混合物，可以改变水结冰的温度。夏尔马和图特贾实验室的其他人希望这些测试能帮助他们找到更环保的除冰产品。图片来源:密歇根工程公司Marcin Szczepanski。

A neat grid of holes are drilled into a me<em></em>tal plate, which is covering a gray screen mesh. The screen is visible beneath the holes of the plate. A plastic pipette tip deposits small beads of water into several wells.

在Anish Tuteja的实验室工作的材料科学与工程博士后研究员Sudeep Sharma正在进行研究将水注入用于测量水的结冰温度的冷却装置。这个盘子有96个孔，每个孔都可以容纳一种独特的化学混合物，这种混合物可以使水在比平时更高或更低的温度下冻结。平板上的每个孔上方都有单独的相机镜头，研究人员可以通过这些镜头观察到，当容器的温度降低时，液滴何时结冰。目前，夏尔马需要手动处理每个样本，但该团队正在研究一种自动化过程的方法，这样他们就可以快速测试数千个样本。图片来源:密歇根工程公司Marcin Szczepanski。

由美国国防部高级研究计划局资助的密歇根大学领导的一个新项目，使新型无毒材料有一天可以使太阳能电池板和飞机机翼不结冰，或保护急救人员免受冻伤等等。

研究小组将研究其他生物在低温下生存的生物分子。该项目于本周正式启动，包括来自雷神技术公司、北达科他州立大学和明尼苏达大学的研究人员。

用于完成这些壮举的现有材料都有严重的缺点。例如，道路盐可以防止人行道和街道结冰，但也会腐蚀混凝土，并通过径流进入天然淡水，损害水生生物。

向飞机喷洒除冰液可以确保冬季飞行的安全，但这种液体中的化学物质是有毒的，还会污染水道。在这个耗资高达1150万美元的项目中，研究人员的一些目标是制造出目前还没有类似产品，比如一种不需要厚厚的冬季保护层就能防止冻伤的乳液。

“在过去的七八年里，我的团队一直在制造与冰的附着力非常低的表面。这种除冰涂层在风力涡轮机、电力线或飞机机翼等许多应用中都非常有用，”该项目的首席研究员、密歇根大学材料科学与工程教授Anish Tuteja说。

A water droplet rests on gray mesh, reflective and translucent like a cloudy glass marble.

Tuteja实验室的冷却平台安装在一个细网上，上面覆盖着一层防水物质。这种涂层可以让每种化学混合物在平台上形成一个近乎完美的球体，最大限度地减少平台材料对液滴冰点的影响。图片来源:Derek Smith和Marcin Szczepanski，密歇根工程公司。

“然而，对于许多其他应用来说，完全消除冰的形成将是有益的。到目前为止，在寒冷的条件下连续数小时防止结冰是非常具有挑战性的。”

该项目旨在找到可以通过几种方式操纵冰雪的分子，包括改变水结冰的温度，增加或减少冰附着在表面的强度，改变形成的冰的结构，抑制或促进冰晶在表面生长。

为了实现他们的目标，研究小组正在从植物、动物和微生物中寻找灵感。许多生物体产生的分子使它们能够在冰冻的固体中存活下来，或者阻止它们的身体冻结。例如，林蛙在冬天被冻住时，会产生防冻脂，防止冰破坏它们的细胞膜。

Olsen rests her hand on a force gauge, which is co<em></em>nnected to a steel block by a retractable me<em></em>tal rod. The block is aligned with the end of an ice block, which rests on a me<em></em>tal surface. The rod is pushing the blocky end of the hammer toward the ice block.

应用物理学博士生泰勒·奥尔森(Tyler Olson)正在Anish Tuteja的实验室工作一块块冰砖粘在旨在保持表面不结冰的涂层上。她用锤子在冰面上移动冰砖，并用力计测量移动冰块所需的力。通过这些测试，Tuteja实验室可以了解他们的新型生物启发分子是否能让人们更容易地从表面去除冰。最好的涂层可以让冰毫不费力地移动。图片来源:密歇根工程公司Marcin Szczepanski。

其他生物产生“冰核”分子，刺激冰在比正常温度更高的温度下形成。丁香假单胞菌产生冰核蛋白来冷冻植物叶片。冰有助于分解植物细胞，这样细菌就可以接触到里面的营养物质。

通过在实验室中创造和混合这些天然分子，研究人员希望找到毒性更小、可生物降解的替代品，以取代今天的除冰化学品，以及分子鸡尾酒，从而实现全新的技术。

Tuteja说:“如果你把分子以正确的比例组合起来，冰点的下降幅度会超过单个分子所能达到的冰点。”

即使从已知分子的一小部分开始，可能的组合和比例的数量也会变得难以处理。研究小组必须在项目的第一年测量超过5000种不同的造冰和防冻分子的有效性。随着项目的进展，这个数字可能会增加一倍或三倍。

A cooper-orange frog with brown and white stripes is curled up on ice-dappled leaf litter. The frog's eyes are closed, and its arms and legs are rigidly tucked under its body, almost as if it's dead. A transparent layer of ice coats the frog's skin, but some larger chunks of white ice are distributed across the frog's body.

每年冬天，林蛙都会完全冻僵，但到了春天，它们又会活过来。它们通过制造化学物质来保护细胞免受冰引起的损害，并降低水结冰的温度，从而在寒冷的温度下存活下来。这些分子将为Tuteja实验室设计新的除冰产品提供一个起点。图片来源:Jan Storey，由Natio提供国家科学基金会。

为了快速研究这些分子组合，该团队计划建立一个自动化平台，每天确定多达1500个样本的冷冻温度。该团队希望在第一年结束前将搜索范围缩小到30个最有希望进行进一步研究的候选分子。

在项目的第二年，该团队将测试每个候选分子的安全性和毒性，以及在更大规模和几种形式下的有效性，如液体、面霜和涂层。

这些实验不仅将帮助研究人员找到最好的防冻剂和冰形成混合物——庞大的数据集还将有助于揭示不同的冰形成和冰抑制分子是如何发挥作用的。

Tuteja说:“一旦我们开始收集大量关于这些分子如何工作的数据，我们将与机器学习专家合作，他们将能够确定分子的哪些部分可能被修改，以进一步提高它们的性能。”

1150万美元承诺用于生态友好的冰雪控制

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