新的研究表明，轻柔地应用电力可以显著增强海洋海岸线的抵御力，帮助减少与气候变化和海平面上升相关的侵蚀风险。这种创新方法在沙粒之间创造了天然水泥，有效地将它们转变为坚固、不动摇的岩石。软体动物，如蛤蜊和贻贝，使用类似的技术从海水中自然存在的矿物质中创造它们的壳。
西北大学最近的研究显示，温和的电击可以增强海洋海岸线的抵御力，持续几代人，从而大大减轻气候变化和海平面上升引起的侵蚀风险。
研究小组受到蛤蜊、贻贝以及其他已知利用海水中溶解矿物质来制作壳的海洋动物的启发。
类似地，科学家们利用这些天然溶解的矿物质在浸泡在海水中的沙粒之间建立自然的水泥。然而，他们并未像软体动物那样依赖代谢能量，而是利用电能诱导化学反应。
在实验室实验中，微弱的电流迅速改变了海洋沙的结构，将其转变为坚固的、岩石状的材料。研究人员乐观地认为，这种方法可以为世界各地的海岸线提供持久且成本有效的解决方案。
这项研究将于周四（8月22日）发表在地球与环境通信（Communications Earth and the Environment）杂志上，该杂志隶属于自然出版集团。
“全球超过40%的人口居住在沿海地区，”西北大学的首席研究员阿莱桑德罗·罗塔·洛里亚（Alessandro Rotta Loria）指出。“侵蚀对这些社区构成了重大威胁，因气候变化和海平面上升导致基础设施的恶化和土地的流失，每年造成数十亿美元的损失。目前应对侵蚀的方法通常涉及修建保护障碍物或向地下注入外部化合物。”
“我的目标是创造一种新的海岸保护方法，不涉及建设障碍物，并能够在不使用传统水泥的情况下自然固化海洋沙。通过对海洋土壤施加轻微的电刺激，我们系统性地、机械地证明我们可以通过将海水中的天然溶解矿物转变为固体矿物黏结剂来进行水泥化——有效地创造一个天然水泥。”
罗塔·洛里亚担任西北大学麦考米克工程学院土木与环境工程的路易斯·伯杰助理教授。研究论文的第一作者安东尼·兰迪瓦尔·马西亚斯（Andony Landivar Macias）曾是罗塔·洛里亚实验室的博士候选人，他与矿物学家、同样是西北大学温伯格艺术与科学学院地球与行星科学教授的史蒂文·雅各布森（Steven Jacobsen）共同撰写了这篇研究。
海堤也会侵蚀
随着风暴的越来越严重和海洋水平的上升，气候变化正在不断侵蚀海岸线。2020年，欧洲委员会联合研究中心的一项研究预测，到本世纪末，全球近26%的海滩可能会消失。
为了解决这个问题，社区主要依赖两种策略：建造如海堤之类的保护障碍物或向沙基海洋基底注入水泥以增强其强度。然而，这两种方法都面临重大挑战。这些传统方法不仅成本高昂，而且随着时间的推移往往效果不佳。
“海堤也可能经历侵蚀，”罗塔·洛里亚解释说。“随着时间的推移，这些障碍物下的沙子会侵蚀，导致潜在的倒塌。通常，保护结构由重石构成，每英里成本高达数百万，但底下的沙子可能由于各种环境因素变成液态，从而导致这些结构的位移。”
“向土壤注入水泥和粘合剂会造成不可逆转的环境后果，通常需要大量的压力和能量。”
将离子转变为粘合剂
为了解决这些挑战，罗塔·洛里亚及其团队发明了一种简单的技术，受珊瑚和软体动物的启发。海水中自然含有多种离子和溶解矿物质。当施加微弱的电流（在2到3伏之间）时，会触发化学反应，将其中一些元素转化为固体碳酸钙——类似于软体动物用来建造他们壳的物质。使用略高的电压（约4伏），他们可以产生氢氧化镁和水镁石，这些都是在各种岩石中常见的矿物。
当这些矿物在沙中结合时，它们像粘合剂一样，将颗粒紧密结合。在实验室测试中，这一过程在各种类型的沙中都取得了成功——从普通的硅砂和钙质砂到通常在火山区域发现的富铁沙。
“处理后的沙子看起来像岩石，”罗塔·洛里亚说道。“它变得坚硬和不动，而不是松散和颗粒状。这些矿物的强度明显超过混凝土，因此处理过的沙子可以像海堤一样耐用和坚固。”
尽管矿物形成在施加电流后迅速发生，但延长电治疗程则会产生更令人印象深刻的结果。“我们在仅仅几天的刺激后观察到了显著的改进，”罗塔·洛里亚指出。“之后，处理过的沙子应保持原位，无需进一步维护。”
环保且可逆
罗塔·洛里亚相信，强化的沙子将保持其稳定性，为海岸和财产提供数十年的保护。
他还表示，这种方法对海洋生物没有危害，因为所用电压太温和，无法被感知。类似的技术已经被用来增强水下结构和修复珊瑚礁，而不会伤害海洋生物。
如果社区决定恢复未处理的沙子，罗塔·洛里亚有一个可逆解决方案。通过切换电池上的电极，电流可以溶解矿物，从而逆转水泥化过程。
“当我们在海水中局部提高阴极界面的pH时，矿物沉淀，”罗塔·洛里亚解释说。“如果阳极与阴极交换，局部pH的降低会导致之前形成矿物的溶解。”
成本效益高并有多种应用
该过程为传统方法提供了一个经济实惠的替代方案。估算罗塔·洛里亚的技术每立方米电固化土地的成本仅为3到6美元，远低于现有方法达到70美元的成本。
在罗塔·洛里亚的实验室研究表明，该方法还可以修复增强混凝土结构中的裂缝。许多海岸基础设施是由这样的材料制成的，因海平面上升、侵蚀和恶劣天气的影响而逐渐降解。当这些结构开裂时，他的方法可以通过一次电流施加来修复损害，而不需要完全重建。
“这种技术的潜在应用很多，”罗塔·洛里亚表示。“我们可以增强海堤下的海床，稳定沙丘，并巩固不稳定的土壤坡度。这种方法还可以增强保护结构、海洋基础等。保护沿海地区的方案有无数种方式。”
未来，罗塔·洛里亚的团队计划在真实的海滩环境中测试这一技术。
该研究论文“从海水中通过电沉积的钙质水泥在海洋硅砂中的应用”得到了美国陆军研究办公室（资助号W911NF2210291）和西北大学工程可持续性与复原力中心的支持。
