為了讓你的便便不粘在馬桶上， 科學(xué)家做了哪些努力？

出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監(jiān)制：中國科學(xué)博覽

當(dāng)我們在馬桶上方便時，經(jīng)常遇到馬桶上有“殘留”的尷尬。在你一次又一次按下沖水鍵，但殘留的便便依然在馬桶壁上與你面面相覷的時候，你可能會想：這個世界上為什么就不能有不粘便便的馬桶呢？

事實上，這個問題也引發(fā)了科學(xué)家們的興趣。

為什么我們需要不粘便便的馬桶？

為什么便便會這么黏呢？

南非夸祖魯-納塔爾大學(xué)的伍萊（SM Woolley）等人研究發(fā)現(xiàn)，便便的黏度和含水量密切相關(guān)，而便便的含水度又受到攝入膳食纖維和蛋白質(zhì)的影響。然而，攝入富含蛋白質(zhì)的食物（如肉類和豆類）和富含膳食纖維的食物（如水果、蔬菜和全谷物）對于人類保持健康的消化系統(tǒng)至關(guān)重要，它們在人類食譜中具有不可或缺的地位。

在保持飲食結(jié)構(gòu)不大幅調(diào)整的前提下，要想改變便便的黏度并不容易。

富含蛋白質(zhì)和膳食纖維的食物在人類食譜中具有重要地位

（圖片來源：作者）

為了解決馬桶上有“殘留”的尷尬，人們開發(fā)出了各種原理獨特、沖水力強大的馬桶。然而，這些強力沖水型馬桶的高水流量導(dǎo)致用水量大幅增加，帶來了新的問題。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全世界每天都要花費超過1410億升的淡水來沖廁所（非洲人口總用水的六倍），而城市居民的沖廁用水要占到全部生活用水的30%—35%，這兩個數(shù)字令人咋舌。與此同時，聯(lián)合國教科文組織和聯(lián)合國水機制共同發(fā)布的2023年《聯(lián)合國世界水發(fā)展報告》顯示，全世界仍有20億至30億人面臨缺水困境。這種矛盾情況迫使人們不得不尋找其他解決方案。

在研究了便便和馬桶之間的奇妙關(guān)系后，科學(xué)家們最終提出了一個解決方案：設(shè)計一款不粘便便的馬桶！

如何讓便便不粘在馬桶上？

或許你的第一反應(yīng)是，要實現(xiàn)不粘連，在馬桶上加一層涂層就可以了，科學(xué)家也是這么想的。

豬籠草，生物界聞名遐邇的食蟲植物，它們的葉片特化為一個個瓶狀捕蟲籠，捕蟲籠內(nèi)壁具有多孔的微結(jié)構(gòu)且填充有潤滑液。被豬籠草蜜腺吸引而落入捕蟲籠的昆蟲在內(nèi)壁上站立不穩(wěn)，很難逃出生天。這種神奇的現(xiàn)象引發(fā)了科學(xué)家們的關(guān)注。

豬籠草捕籠的內(nèi)壁，形似馬桶

（圖片來源：wikipedia）

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)黃得勝（Tak-Sing Wong）團隊從豬籠草身上汲取了靈感，開發(fā)了一款“超滑涂層”——LEES（liquid-entrenched smooth surface，液體固定的光滑表面）。

只需先用聚二甲基硅氧烷在馬桶表面形成納米級“毛發(fā)”基底，再噴涂硅油潤滑劑，只需要5分鐘就能在普通陶瓷馬桶的表面形成LEES涂層，使其變得更加順滑。

科學(xué)家先后在使用這種涂層制造的馬桶內(nèi)壁上測試了水、人造混合糞便、真實糞便，發(fā)現(xiàn)LEES涂層能夠?qū)⒓S便這樣的粘彈性流體的附著力降低約90%，基本做到了“不粘連”。

LESS涂層對于節(jié)約水資源的作用也立竿見影，根據(jù)“糞便”含水量的差異，沖馬桶的用水量可以減少50%—90%不等。LEES層還具有一定抑菌效果，能夠進一步減少氣味的產(chǎn)生。

LEES涂層（左）和無涂層馬桶（右）去除人工合成糞便效果對比

（圖片來源：文獻[3]）

在LESS基礎(chǔ)上，近十年來科學(xué)家們不斷改善這種涂層技術(shù)，開發(fā)效果更好的涂層，并將其廣泛應(yīng)用于防污、自潔、防結(jié)冰等領(lǐng)域。

不過，這種涂層技術(shù)也有自己的問題。以LESS為例，在沖洗大約500次后，就需要在馬桶上噴灑新的硅油涂層了，而聚二甲基硅氧烷基底在長期使用后也需要修補，每次修補需要15美元（約合人民幣109元）。在缺水的不發(fā)達地區(qū)，使用這類技術(shù)似乎過于繁瑣，成本也過于高昂。

有沒有能夠一勞永逸的辦法？

華中科技大學(xué)的蘇斌教授團隊同樣從豬籠草的捕蟲籠內(nèi)壁的微結(jié)構(gòu)中獲取靈感，決定從馬桶本身入手。他們以塑料和特殊的沙粒的混合物為原材料，3D打印出了尺寸是普通馬桶1/10的馬桶模型。

在3D打印的過程中，激光會將原材料燒結(jié)。燒結(jié)是一種化學(xué)過程，可將兩種類型的固體壓實和組合在一起，并且重要的是，這會產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)——固體顆粒之間有許多微小的間隙。因此，潤滑油能夠儲存在整個馬桶表面上，甚至滲透進內(nèi)部。如此一來，表面的潤滑油流失之后，就能從馬桶的內(nèi)部更深處得到補充，達到一勞永逸的效果。

同時，這種多孔結(jié)構(gòu)讓馬桶更加耐磨，哪怕是用砂紙擦洗1000多次后，迷你馬桶依舊光滑如初。

當(dāng)然，這種馬桶離走入我們的生活還有很遠的路要走，因為要先打印出實際尺寸的馬桶，再降低制造成本。

合成糞便仍能從表面被砂紙打磨1000次的迷你馬桶的底孔中滑出

（視頻來源：文獻[2]）

為何便便能夠不沾在馬桶上？

在化學(xué)層面上，豬籠草、LESS涂層、迷你馬桶的超滑性都源于一種稱為“疏水性”（hydrophobic）的材料特性。具有疏水性的材料表面接觸水，水滴會形成一個圓珠狀，很難浸潤表面。

這是因為材料表面分子之間的相互作用力大于水分子與表面之間的作用力。而對應(yīng)地，材料表面分子之間的相互作用力小于水分子與表面之間的作用力的表面，具有親水性（hydrophilic）。

我們通常通過測量液滴邊緣與固體表面之間的夾角（即接觸角）來確定一種固體表面親水或者疏水的作用大小。不難看出，當(dāng)水滴在固體表面完全鋪展開時，接觸角應(yīng)為0°，而如果水滴完全保持球形，接觸角則應(yīng)為180°。

水滴在親水、疏水和超疏水表面上的接觸角

（圖片來源：文獻[5]）

因此，接觸角越大，表明固體疏水性越強。當(dāng)接觸角超過150°時，科學(xué)家為這一性質(zhì)起了一個新名字：“超疏水性”（superhydrophobic）。除了上述提到的豬籠草和涂層，自然界中的蓮花、芋、甘藍等植物的葉片和閃蝶屬蝴蝶的翅膀都具有這種特性，這是其粗糙或多孔的微觀結(jié)構(gòu)決定的。

荷葉（左）、閃蝶屬蝴蝶翅（右）都是常見的疏水表面

（圖片來源：維基百科）

結(jié)語

為讓你的便便不粘在馬桶上，科學(xué)家們做了許多努力，但目前仍有許多問題亟待解決。不過我們相信，隨著材料學(xué)的進步，終有一天，不粘馬桶會走進我們的日常生活中。

參考文獻

[1] Woolley, S. M., et al. "Shear rheological properties of fresh human faeces with different moisture content." Water sa 40.2 (2014): 273-276.

[2] Li, Yike, et al. "Abrasion‐Resistant and Enhanced Super‐Slippery Flush Toilets Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Technology." Advanced Engineering Materials (2023): 2300703.

[3] Wang, Jing, et al. "Viscoelastic solid-repellent coatings for extreme water saving and global sanitation." Nature Sustainability 2.12 (2019): 1097-1105.

[4] Kreder, Michael J., et al. "Design of anti-icing surfaces: smooth, textured or slippery?." Nature Reviews Materials 1.1 (2016): 1-15.

[5] Zhang, P., and F. Y. Lv. "A review of the recent advances in superhydrophobic surfaces and the emerging energy-related applications." Energy 82 (2015): 1068-1087.

[6] Chen, Huawei, et al. "Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata." Nature 532.7597 (2016): 85-89.

[7] Wang, Dagui, et al. "Liquid-like polymer lubricating surfaces: mechanism and applications." Nano Research (2023).