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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，普遍具有微納米復合結構和低表面能的化學物質。其中，出淤泥而不染的荷葉，尤其為人所熟悉。

“應用仿生荷葉原理，我們研發(fā)出了環(huán)保型納米超疏水新材料。”疏科納米疏水科技（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童菊兒研究員擔任專家委員會主任，交通運輸部公路科學研究院、浙江省生態(tài)與環(huán)境修復技術協(xié)會、北京林業(yè)大學等單位專家組成的鑒定委員會鑒定。

與會專家普遍認為，這一新材料技術及其產品值得在國土空間綜合整治、生態(tài)修復、現(xiàn)代農業(yè)開發(fā)、土壤改良、水土保持等領域推廣應用。

噴灑特制乳液 土壤產生“荷葉效應”

早在20世紀90年代，化學制藥專業(yè)出身的宋永生，時常遠赴東南亞國家，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構。”但土路也有弊端：非雨季時，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，其團隊采用仿生荷葉原理和多孔狀微粒技術，開始研制環(huán)保型納米超疏水新材料。

近20年，全球范圍內，土壤黏合劑、有機硅殺菌劑、土壤固化劑等產品在土路建造過程中得到應用，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微乳突結構，每個乳突上又分布大量納米級的細枝狀結構，加上荷葉表皮存在許多蠟質三維細管，賦予荷葉獨特的超疏水特性和低粘附性。

“團隊研發(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，經數道加工制成乳液，不含有害物質。”宋永生介紹，可使土壤表面獲得類似荷葉表面的微觀結構。

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。

經吉林大學等試驗證實，將該乳液向泥土噴灑后晾干，制成的生態(tài)超疏水土的強度約是素土的2倍，并且超疏水土表面和內部都會產生“荷葉效應”，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。”該停車場施工單位、杭州啟晟建筑工程有限公司總經理趙昌華說，他當時就愁——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跑圈測試，發(fā)現(xiàn)整個土層基本沒問題，確保了工程交付。”

現(xiàn)有建路方法用到的三合土、建筑垃圾、土壤固化劑等，主要痛點是對土地和環(huán)境具有不同程度的污染，并難以復墾。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，團隊在美國的實驗室和位于印度尼西亞的棕櫚樹種植園進行過產品小試和中試，直至2017年回國創(chuàng)辦公司，逐步推廣這一新技術和相關產品。”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)場土進行翻耕、噴灑乳液、夯實壓平、自然晾曬等步驟，就能建造一條生態(tài)超疏水土路。根據實測，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)超疏水土路的試驗工程和商業(yè)工程項目，比如浙江金東區(qū)塘雅鎮(zhèn)萬畝土地整治項目生態(tài)超疏水土機耕路、上海G15高速公路生態(tài)超疏水土擴展施工便道、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。

交通運輸部公路科學研究院研究員吳立堅指出，生態(tài)超疏水新材料建造土路的目標明確，技術路線清晰，應用前景可觀。企業(yè)還可就生態(tài)超疏水土路在凍融、暴雨等環(huán)境下的耐用程度進一步完善研究。

“根據不同的土質和用途，團隊正在進行具有針對性的試驗和研發(fā)，改進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。”宋永生表示，根據跟蹤測算，生態(tài)超疏水土路總體使用壽命可在10年以上。

拓展應用場景 重點關注生態(tài)修復

“土壤的結構與功能、土體的安全與穩(wěn)定，很大程度上受親水性、疏水性的影響。”浙江省生態(tài)與環(huán)境修復技術協(xié)會副會長、浙江大學農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，超疏水土技術及其產品在生態(tài)修復領域也大有用武之地。

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

宋永生介紹，通過與中交建雄安集團公司進行合作，團隊將生態(tài)超疏水土技術應用到基坑邊坡保護上，確保施工期間邊坡不滲水、不塌方。施工結束后，直接回填即可。

基于工地邊坡保護的嘗試，宋永生透露，公司接下來將聯(lián)合浙大徐禮根教授團隊，聚焦固土護坡和增強綠化的功能，開展超疏水土技術和產品在道路和礦山邊坡修復方面的工程應用研究。

從“沙進人退”到“綠進沙退”，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)修復治理的關鍵，正持續(xù)催生出新的技術手段。

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，與水攪拌混合，就能使沙子具備“土壤”的功能，得以種植作物。

由于高溫、光照、風干等因素，綠植對沙漠中的水分利用率較低。基于超疏水土技術，宋永生團隊研發(fā)出了超疏水沙技術，設計出夾心餅干式的鋪設思路——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。

據了解，此前在實驗室內，該團隊已開展超疏水沙防蒸發(fā)和防下滲的對比試驗，效果達到了預期。該團隊將聯(lián)合交通運輸部公路研究院、中國地質大學等單位，在新疆塔中沙漠進行超疏水沙的實地應用。

“發(fā)明超疏水土技術的初衷，是想保護我們賴以生存的土地。”宋永生表示，團隊將持續(xù)完善生態(tài)超疏水新材料技術，拓展在生態(tài)領域的應用場景，助力我國鄉(xiāng)村振興與綠色可持續(xù)性發(fā)展。

（宋永生團隊供圖）

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