La pelliccia dell'orso polare potrebbe essere la chiave per i progressi nelle soluzioni antighiaccio / Polar bear fur could be key to advances in anti-icing solutions

 La pelliccia dell'orso polare potrebbe essere la chiave per i progressi nelle soluzioni antighiaccio / Polar bear fur could be key to advances in anti-icing solutions

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli orsi polari hanno la pelle nera. Anche la pelliccia dell'orso polare è traslucida e appare bianca solo perché riflette la luce visibile  / Polar bears have black skin. The polar bear’s fur is also translucent, and only appears white because it reflects visible light 

Grazie allo studio della pelliccia dell'orso polare e della sua capacità di rimanere libera dal ghiaccio, potrebbero essere sviluppati materiali e superfici antighiaccio più sostenibili ed ecocompatibili.

Lo studio internazionale ha scoperto che un mix unico di lipidi nel sebo della pelliccia, una sostanza oleosa prodotta dalla pelle, riduce l'adesione del ghiaccio. Questo progetto naturale potrebbe aiutare a prevenire l'accumulo di ghiaccio su infrastrutture come pale di turbine eoliche od ali di aeroplani ghiacciate.

La chiave di questa scoperta sono le simulazioni chimiche quantistiche avanzate eseguite dal gruppo di chimica computazionale della Surrey University, che ha studiato le interazioni molecolari tra il sebo della pelliccia edil ghiaccio. I risultati del gruyppo sono descritti in dettaglio in Science Advances.

In una dichiarazione, il coautore e responsabile dello studio, il dott. Marco Sacchi, professore associato presso la School of Chemistry and Chemical Engineering del Surrey, ha affermato: "Abbiamo scoperto che specifici lipidi nel sebo, come colesterolo e diacilgliceroli, presentano energie di adsorbimento molto basse sul ghiaccio. Questa debole interazione è ciò che impedisce al ghiaccio di aderire alla pelliccia".

Gli esperimenti hanno confermato queste scoperte teoriche, misurando la forza di adesione del ghiaccio prima e dopo la rimozione degli oli naturali della pelliccia. I ricercatori hanno scoperto che la pelliccia di orso polare non trattata si comportava alla pari dei rivestimenti in fluorocarbonio ad alte prestazioni utilizzati nello sport e nell'industria. Tuttavia, quando è stata lavata per rimuovere il sebo, l'adesione del ghiaccio era quattro volte superiore rispetto ai campioni non lavati.

Lo studio ha anche esplorato l'idrofobicità della pelliccia e come ritarda l'inizio del congelamento nell'Artico, dove le temperature scendono sotto i -40°C. Secondo il gruppo, queste proprietà da sole non potrebbero spiegare le prestazioni antighiaccio superiori.

Utilizzando tecniche quali la cromatografia gassosa-spettrometria di massa (GC-MS), la cromatografia liquida-spettrometria di massa (LC-MS/MS) e la risonanza magnetica nucleare (NMR), il gruppo ha scoperto che era un mix unico di lipidi, in particolare un'abbondanza di colesterolo e diacilgliceroli, a essere responsabile di questa capacità.

Il dott. Sacchi ha affermato: "È affascinante vedere come l'evoluzione abbia ottimizzato la composizione del sebo per evitare l'adesione al ghiaccio. Abbiamo scoperto che lo squalene, un lipide comune in altri mammiferi marini, era quasi del tutto assente nella pelliccia dell'orso polare. Le nostre simulazioni computazionali hanno rivelato che lo squalene aderisce fortemente al ghiaccio e questa assenza migliora significativamente le proprietà di distacco del ghiaccio della pelliccia".

Lo studio è stato condotto dal Norwegian Polar Institute e dall'Università di Bergen, con il contributo del Trinity College di Dublino, dell'University College di Londra, del Museo nazionale della Danimarca e con approfondimenti dalle comunità Inuit.

ENGLISH

More sustainable and environmentally friendly anti-icing materials and surfaces could be developed following a study of polar bear fur and its ability to remain ice-free.

The international study found that a unique mix of lipids in the fur’s sebum – an oily substance produced by the skin - reduces ice adhesion. This natural design could help prevent ice buildup on infrastructure such as frozen wind turbine blades or aeroplane wings.

Key to this discovery are the advanced quantum chemical simulations carried out by Surrey University’s computational chemistry team, which investigated molecular interactions between the fur’s sebum and ice. The team’s findings are detailed in Science Advances.

In a statement, co-author and study lead Dr Marco Sacchi, an Associate Professor at Surrey’s School of Chemistry and Chemical Engineering, said: “We found that specific lipids in the sebum, such as cholesterol and diacylglycerols, exhibit very low adsorption energies on ice. This weak interaction is what prevents ice from adhering to the fur.”

Experiments confirmed these theoretical findings, measuring ice adhesion strength before and after the fur’s natural oils were removed. Researchers found that untreated polar bear fur performed on par with high-performance fluorocarbon coatings used in sports and industry. However, when it was washed to remove the sebum, ice adhesion was four times higher than unwashed samples.

The study also explored the fur’s hydrophobicity and how it delays the onset of freezing in the Arctic, where temperatures drop below -40°C. According to the team, these properties alone could not explain the superior anti-icing performance.

Using techniques such as gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS), and nuclear magnetic resonance (NMR), the team found it was a unique mix of lipids – particularly an abundance of cholesterol and diacylglycerols – responsible for this ability.

Dr Sacchi said: “It’s fascinating to see how evolution has optimised the sebum’s composition to avoid ice adhesion. We found squalene, a common lipid in other marine mammals, was almost entirely absent in polar bear fur. Our computational simulations revealed squalene strongly adheres to ice, and this absence significantly enhances the fur’s ice-shedding properties.”

The study was led by the Norwegian Polar Institute and the University of Bergen, with contributions from Trinity College Dublin, University College London, the National Museum of Denmark, and insights from Inuit communities.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/polar-bear-fur-could-be-key-to-advances-in-anti-icing-solutions