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水珠在超疏水土表面的效果圖。

(資料圖片)

洪恒飛 科技日報(bào)記者 江耘

平平無奇的土路，連接著山水草木，往往能喚起人們親近自然的天性。但雨后土路坑坑洼洼、泥濘遍布的景象，足以將人勸退。

超疏水材料，對水具有排斥性，普遍具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和低表面能的化學(xué)物質(zhì)。其中，出淤泥而不染的荷葉，尤其為人所熟悉。

“應(yīng)用仿生荷葉原理，我們研發(fā)出了環(huán)保型納米超疏水新材料?！笔杩萍{米疏水科技（嘉興）有限公司董事長宋永生博士介紹說，通過將荷葉的疏水特性“移植”到土壤中，可以解決土路下雨成泥的難題，又能復(fù)墾還田。

8月27日，在浙江省嘉興市的平湖人才之家，該成果通過了由浙江大學(xué)童菊兒研究員擔(dān)任專家委員會主任，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院、浙江省生態(tài)與環(huán)境修復(fù)技術(shù)協(xié)會、北京林業(yè)大學(xué)等單位專家組成的鑒定委員會鑒定。

與會專家普遍認(rèn)為，這一新材料技術(shù)及其產(chǎn)品值得在國土空間綜合整治、生態(tài)修復(fù)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)、土壤改良、水土保持等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

噴灑特制乳液 土壤產(chǎn)生“荷葉效應(yīng)”

早在20世紀(jì)90年代，化學(xué)制藥專業(yè)出身的宋永生，時常遠(yuǎn)赴東南亞國家，參與提煉棕櫚樹油衍生物的課題研究，對棕櫚樹種植園的土路建造產(chǎn)生好奇。

從種植園主口中可得知：“若直接建造柏油路或者水泥路，不但成本高還會破壞耕地結(jié)構(gòu)?！钡谅芬灿斜锥耍悍怯昙緯r，行車過程中會造成塵土污染；雨季來臨，雨水則會侵蝕泥土，將土路變成泥路。

聯(lián)想到國內(nèi)道路施工及生態(tài)環(huán)保需求，宋永生萌生了創(chuàng)新建路方法的念頭。直至2010年左右，其團(tuán)隊(duì)采用仿生荷葉原理和多孔狀微粒技術(shù)，開始研制環(huán)保型納米超疏水新材料。

近20年，全球范圍內(nèi)，土壤黏合劑、有機(jī)硅殺菌劑、土壤固化劑等產(chǎn)品在土路建造過程中得到應(yīng)用，一定程度上可以起到路面防塵、硬化的作用。

“部分材料在工程應(yīng)用上，仍需柏油覆蓋或者水泥配合。除此之外，還存在效果維持短、污染土壤等問題。”宋永生表示，環(huán)保型納米超疏水新材料需要解決這些弊端。

公開研究表明，荷葉表面分布著大量微米級的蠟質(zhì)微乳突結(jié)構(gòu)，每個乳突上又分布大量納米級的細(xì)枝狀結(jié)構(gòu)，加上荷葉表皮存在許多蠟質(zhì)三維細(xì)管，賦予荷葉獨(dú)特的超疏水特性和低粘附性。

“團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超疏水材料選用多硅聚合物、植物油降解物和植物纖維素等作為原料，純水作為溶劑，采用微乳波法，經(jīng)數(shù)道加工制成乳液，不含有害物質(zhì)。”宋永生介紹，可使土壤表面獲得類似荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)。

所謂微乳液法，是疏水材料制備方法的一種。這一方法制備的納米粒子的單分散和界面性相對較好，尺寸均勻，確保納米疏水材料的性能穩(wěn)定。

經(jīng)吉林大學(xué)等試驗(yàn)證實(shí)，將該乳液向泥土噴灑后晾干，制成的生態(tài)超疏水土的強(qiáng)度約是素土的2倍，并且超疏水土表面和內(nèi)部都會產(chǎn)生“荷葉效應(yīng)”，肉眼能清晰地看到水珠在泥土間滾動。

施工就地取材 有效規(guī)避污染風(fēng)險

緊挨平湖時尚中心，一座生態(tài)停車場建在淤泥層上。

“按施工要求，這塊區(qū)域很難做硬化處理，我們在施工開挖時發(fā)現(xiàn)底下有較深的淤泥層?！痹撏＼噲鍪┕挝?、杭州啟晟建筑工程有限公司總經(jīng)理趙昌華說，他當(dāng)時就愁——這工程怕是干不下去了。

他告訴記者，了解到環(huán)保型納米超疏水新材料后，公司將其用于停車場施工。驗(yàn)收期間恰逢雨季，周邊河水上漲，淹了停車場。“河水退去后，我們用自重13噸的工程車在場地內(nèi)跑圈測試，發(fā)現(xiàn)整個土層基本沒問題，確保了工程交付?！?/p>

現(xiàn)有建路方法用到的三合土、建筑垃圾、土壤固化劑等，主要痛點(diǎn)是對土地和環(huán)境具有不同程度的污染，并難以復(fù)墾。土壤固化劑的耐水性問題一直難以解決，用其制備的高強(qiáng)度的硬化土既損壞土壤的自然耕種屬性，也不具備疏水效果。

“2012年至2015年，團(tuán)隊(duì)在美國的實(shí)驗(yàn)室和位于印度尼西亞的棕櫚樹種植園進(jìn)行過產(chǎn)品小試和中試，直至2017年回國創(chuàng)辦公司，逐步推廣這一新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品。”宋永生說。

杭州良渚古城遺址公園的超疏水土生態(tài)步道。

宋永生介紹，施工單位可直接用現(xiàn)場土進(jìn)行翻耕、噴灑乳液、夯實(shí)壓平、自然晾曬等步驟，就能建造一條生態(tài)超疏水土路。根據(jù)實(shí)測，現(xiàn)階段這一建路方法的成本相較水泥路可降低30%左右。

記者了解到，該成果目前已在全國多地完成了多種生態(tài)超疏水土路的試驗(yàn)工程和商業(yè)工程項(xiàng)目，比如浙江金東區(qū)塘雅鎮(zhèn)萬畝土地整治項(xiàng)目生態(tài)超疏水土機(jī)耕路、上海G15高速公路生態(tài)超疏水土擴(kuò)展施工便道、山西大同得勝堡生態(tài)超疏水土文化廣場等。

其中，北京和上海建筑工地臨時使用的生態(tài)超疏水土施工便道，目前已就地還原成可耕種的土地。

交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院研究員吳立堅(jiān)指出，生態(tài)超疏水新材料建造土路的目標(biāo)明確，技術(shù)路線清晰，應(yīng)用前景可觀。企業(yè)還可就生態(tài)超疏水土路在凍融、暴雨等環(huán)境下的耐用程度進(jìn)一步完善研究。

“根據(jù)不同的土質(zhì)和用途，團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行具有針對性的試驗(yàn)和研發(fā)，改進(jìn)超疏水土路的建造工藝，同時持續(xù)跟蹤這一材料在土路中的降解情況?！彼斡郎硎?，根據(jù)跟蹤測算，生態(tài)超疏水土路總體使用壽命可在10年以上。

拓展應(yīng)用場景 重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)修復(fù)

“土壤的結(jié)構(gòu)與功能、土體的安全與穩(wěn)定，很大程度上受親水性、疏水性的影響?！闭憬∩鷳B(tài)與環(huán)境修復(fù)技術(shù)協(xié)會副會長、浙江大學(xué)農(nóng)技推廣中心徐禮根研究員告訴記者，除了用于建造生態(tài)土路，超疏水土技術(shù)及其產(chǎn)品在生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域也大有用武之地。

在建筑工地，需要對基坑邊坡進(jìn)行防水抗沖保護(hù)。常見方式是使用鋼筋制成的土釘進(jìn)行加固，涉及綁扎鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等工序。隨著施工結(jié)束，需要拆卸加固基坑邊坡的土釘墻，同樣費(fèi)時費(fèi)力。

宋永生介紹，通過與中交建雄安集團(tuán)公司進(jìn)行合作，團(tuán)隊(duì)將生態(tài)超疏水土技術(shù)應(yīng)用到基坑邊坡保護(hù)上，確保施工期間邊坡不滲水、不塌方。施工結(jié)束后，直接回填即可。

基于工地邊坡保護(hù)的嘗試，宋永生透露，公司接下來將聯(lián)合浙大徐禮根教授團(tuán)隊(duì)，聚焦固土護(hù)坡和增強(qiáng)綠化的功能，開展超疏水土技術(shù)和產(chǎn)品在道路和礦山邊坡修復(fù)方面的工程應(yīng)用研究。

從“沙進(jìn)人退”到“綠進(jìn)沙退”，我國荒漠化防治取得顯著成效。防沙固沙、增加植被覆蓋率是沙漠生態(tài)修復(fù)治理的關(guān)鍵，正持續(xù)催生出新的技術(shù)手段。

此前，我國科研人員成功利用一種植物纖維黏合劑，只需在沙子中摻入一定量，與水?dāng)嚢杌旌?，就能使沙子具備“土壤”的功能，得以種植作物。

由于高溫、光照、風(fēng)干等因素，綠植對沙漠中的水分利用率較低?；诔杷良夹g(shù)，宋永生團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了超疏水沙技術(shù)，設(shè)計(jì)出夾心餅干式的鋪設(shè)思路——超疏水沙層將種植沙層夾在中間，分別起到防止地表水分蒸發(fā)和地下層水分滲漏的作用。

據(jù)了解，此前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)已開展超疏水沙防蒸發(fā)和防下滲的對比試驗(yàn)，效果達(dá)到了預(yù)期。該團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合交通運(yùn)輸部公路研究院、中國地質(zhì)大學(xué)等單位，在新疆塔中沙漠進(jìn)行超疏水沙的實(shí)地應(yīng)用。

“發(fā)明超疏水土技術(shù)的初衷，是想保護(hù)我們賴以生存的土地?！彼斡郎硎荆瑘F(tuán)隊(duì)將持續(xù)完善生態(tài)超疏水新材料技術(shù)，拓展在生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用場景，助力我國鄉(xiāng)村振興與綠色可持續(xù)性發(fā)展。

（宋永生團(tuán)隊(duì)供圖）

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