水珠在超疏水土表面的效果图。
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洪恒飞 科技日报记者 江耘
平平无奇的土路，连接着山水草木，往往能唤起人们亲近自然的天性。但雨后土路坑坑洼洼、泥泞遍布的景象，足以将人劝退。
超疏水材料，对水具有排斥性，普遍具有微纳米复合结构和低表面能的化学物质。其中，出淤泥而不染的荷叶，尤其为人所熟悉。
“应用仿生荷叶原理，我们研发出了环保型纳米超疏水新材料。”疏科纳米疏水科技（嘉兴）有限公司董事长宋永生博士介绍说，通过将荷叶的疏水特性“移植”到土壤中，可以解决土路下雨成泥的难题，又能复垦还田。
8月27日，在浙江省嘉兴市的平湖人才之家，该成果通过了由浙江大学童菊儿研究员担任专家委员会主任，交通运输部公路科学研究院、浙江省生态与环境修复技术协会、北京林业大学等单位专家组成的鉴定委员会鉴定。
与会专家普遍认为，这一新材料技术及其产品值得在国土空间综合整治、生态修复、现代农业开发、土壤改良、水土保持等领域推广应用。
喷洒特制乳液 土壤产生“荷叶效应”
早在20世纪90年代，化学制药专业出身的宋永生，时常远赴东南亚国家，参与提炼棕榈树油衍生物的课题研究，对棕榈树种植园的土路建造产生好奇。
从种植园主口中可得知：“若直接建造柏油路或者水泥路，不但成本高还会破坏耕地结构。”但土路也有弊端：非雨季时，行车过程中会造成尘土污染；雨季来临，雨水则会侵蚀泥土，将土路变成泥路。
联想到国内道路施工及生态环保需求，宋永生萌生了创新建路方法的念头。直至2010年左右，其团队采用仿生荷叶原理和多孔状微粒技术，开始研制环保型纳米超疏水新材料。
近20年，全球范围内，土壤黏合剂、有机硅杀菌剂、土壤固化剂等产品在土路建造过程中得到应用，一定程度上可以起到路面防尘、硬化的作用。
“部分材料在工程应用上，仍需柏油覆盖或者水泥配合。除此之外，还存在效果维持短、污染土壤等问题。”宋永生表示，环保型纳米超疏水新材料需要解决这些弊端。
公开研究表明，荷叶表面分布着大量微米级的蜡质微乳突结构，每个乳突上又分布大量纳米级的细枝状结构，加上荷叶表皮存在许多蜡质三维细管，赋予荷叶独特的超疏水特性和低粘附性。
“团队研发的超疏水材料选用多硅聚合物、植物油降解物和植物纤维素等作为原料，纯水作为溶剂，采用微乳波法，经数道加工制成乳液，不含有害物质。”宋永生介绍，可使土壤表面获得类似荷叶表面的微观结构。
所谓微乳液法，是疏水材料制备方法的一种。这一方法制备的纳米粒子的单分散和界面性相对较好，尺寸均匀，确保纳米疏水材料的性能稳定。
经吉林大学等试验证实，将该乳液向泥土喷洒后晾干，制成的生态超疏水土的强度约是素土的2倍，并且超疏水土表面和内部都会产生“荷叶效应”，肉眼能清晰地看到水珠在泥土间滚动。
施工就地取材 有效规避污染风险
紧挨平湖时尚中心，一座生态停车场建在淤泥层上。
“按施工要求，这块区域很难做硬化处理，我们在施工开挖时发现底下有较深的淤泥层。”该停车场施工单位、杭州启晟建筑工程有限公司总经理赵昌华说，他当时就愁——这工程怕是干不下去了。
他告诉记者，了解到环保型纳米超疏水新材料后，公司将其用于停车场施工。验收期间恰逢雨季，周边河水上涨，淹了停车场。“河水退去后，我们用自重13吨的工程车在场地内跑圈测试，发现整个土层基本没问题，确保了工程交付。”
现有建路方法用到的三合土、建筑垃圾、土壤固化剂等，主要痛点是对土地和环境具有不同程度的污染，并难以复垦。土壤固化剂的耐水性问题一直难以解决，用其制备的高强度的硬化土既损坏土壤的自然耕种属性，也不具备疏水效果。
“2012年至2015年，团队在美国的实验室和位于印度尼西亚的棕榈树种植园进行过产品小试和中试，直至2017年回国创办公司，逐步推广这一新技术和相关产品。”宋永生说。
杭州良渚古城遗址公园的超疏水土生态步道。
宋永生介绍，施工单位可直接用现场土进行翻耕、喷洒乳液、夯实压平、自然晾晒等步骤，就能建造一条生态超疏水土路。根据实测，现阶段这一建路方法的成本相较水泥路可降低30%左右。
记者了解到，该成果目前已在全国多地完成了多种生态超疏水土路的试验工程和商业工程项目，比如浙江金东区塘雅镇万亩土地整治项目生态超疏水土机耕路、上海G15高速公路生态超疏水土扩展施工便道、山西大同得胜堡生态超疏水土文化广场等。
其中，北京和上海建筑工地临时使用的生态超疏水土施工便道，目前已就地还原成可耕种的土地。
交通运输部公路科学研究院研究员吴立坚指出，生态超疏水新材料建造土路的目标明确，技术路线清晰，应用前景可观。企业还可就生态超疏水土路在冻融、暴雨等环境下的耐用程度进一步完善研究。
“根据不同的土质和用途，团队正在进行具有针对性的试验和研发，改进超疏水土路的建造工艺，同时持续跟踪这一材料在土路中的降解情况。”宋永生表示，根据跟踪测算，生态超疏水土路总体使用寿命可在10年以上。
拓展应用场景 重点关注生态修复
“土壤的结构与功能、土体的安全与稳定，很大程度上受亲水性、疏水性的影响。”浙江省生态与环境修复技术协会副会长、浙江大学农技推广中心徐礼根研究员告诉记者，除了用于建造生态土路，超疏水土技术及其产品在生态修复领域也大有用武之地。
在建筑工地，需要对基坑边坡进行防水抗冲保护。常见方式是使用钢筋制成的土钉进行加固，涉及绑扎钢筋网、喷射混凝土等工序。随着施工结束，需要拆卸加固基坑边坡的土钉墙，同样费时费力。
宋永生介绍，通过与中交建雄安集团公司进行合作，团队将生态超疏水土技术应用到基坑边坡保护上，确保施工期间边坡不渗水、不塌方。施工结束后，直接回填即可。
基于工地边坡保护的尝试，宋永生透露，公司接下来将联合浙大徐礼根教授团队，聚焦固土护坡和增强绿化的功能，开展超疏水土技术和产品在道路和矿山边坡修复方面的工程应用研究。
从“沙进人退”到“绿进沙退”，我国荒漠化防治取得显著成效。防沙固沙、增加植被覆盖率是沙漠生态修复治理的关键，正持续催生出新的技术手段。
此前，我国科研人员成功利用一种植物纤维黏合剂，只需在沙子中掺入一定量，与水搅拌混合，就能使沙子具备“土壤”的功能，得以种植作物。
由于高温、光照、风干等因素，绿植对沙漠中的水分利用率较低。基于超疏水土技术，宋永生团队研发出了超疏水沙技术，设计出夹心饼干式的铺设思路——超疏水沙层将种植沙层夹在中间，分别起到防止地表水分蒸发和地下层水分渗漏的作用。
据了解，此前在实验室内，该团队已开展超疏水沙防蒸发和防下渗的对比试验，效果达到了预期。该团队将联合交通运输部公路研究院、中国地质大学等单位，在新疆塔中沙漠进行超疏水沙的实地应用。
“发明超疏水土技术的初衷，是想保护我们赖以生存的土地。”宋永生表示，团队将持续完善生态超疏水新材料技术，拓展在生态领域的应用场景，助力我国乡村振兴与绿色可持续性发展。
（宋永生团队供图）
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