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华人科学家发明不粘马桶,让大便优雅地滑入水中
加入时间:2019-11-21        来源:环球科学        作者:吴非


  使用马桶时,可能每一位读者都遇到过这样的问题:排泄物在马桶壁上留下痕迹,难以冲洗。这样不仅不美观,也带来了卫生隐患。现在,宾州州立大学的研究团队开发出一种名为“LESS”的超滑涂层。经过LESS涂层改造后,马桶不仅变得不粘,还大幅减少冲马桶的用水量,同时让马桶环境更加卫生。
  
  相信每一位读者都深有体会:使用马桶时,以下两个难题似乎总是难以绕开:如果让排泄物沿着马桶壁滑下去,光洁的马桶表面往往会残留一些令人不快的痕迹,难以冲洗;而排泄物如果是直接落入水中,后果就像是菲律宾的跳水选手,天女散花,屁股遭殃。
  
  当然,聪明的你可能会说,如果善于在马桶中放纸,这两个问题都能得到解决。的确,厕纸可以帮助我们抵挡第一轮攻势,但却经不住第二轮、第三轮的轮番冲击。每一次看到马桶内壁被污染,你是否想过:既然有不粘锅存在,这个世界上为什么就不能有不粘马桶呢?
  
  冲马桶的水资源危机
  
  其实,这是一个非常重要的问题——它的意义绝不仅仅是维护卫生间内小环境的卫生、整洁,更关系到全球数十亿人的用水与公共卫生问题。
  
  慢着,把马桶冲水与全球人口的生存问题联系起来,会不会显得有些牵强?看了下面这组数据,你会发现这个说法一点都没有夸张:
  
  冲马桶,是一件耗水量巨大的工程。以美国为例,24%的室内用水,都用来冲马桶了。而在全球范围内,每天用于冲马桶的水超过1400亿升,这个数字几乎是整个非洲每日用水量的6倍。要知道,全球70亿人口中,半数都面临着严重的水资源危机。在这样的背景下,冲马桶消耗的水资源过于惊人。
  
  另一方面,水资源的不足,使得一些缺水的地区根本无法建造马桶——因为没有足够的水来冲洗。根据联合国的数据,大约有26亿人无法获得基本卫生服务,如坐厕或蹲厕。基础卫生设施的缺乏,让这些地区的人群面临更严峻的公共卫生形势。
  
  怎样才能减少如厕过程中的水资源消耗?当然,这里并不是让大家从自身生理上做出改变。一个重要事实是,冲马桶用水中,相当一部分都是为了冲干净马桶壁上的残留物。也就是说,不粘马桶如果真正出现,将为解决全球的水资源与公共卫生问题做出一份贡献。
  
  LESSwater
  
  目前,已经有一些防水涂层用在马桶上。这些材料面对液体效果良好,但却不能对付固体残留物。
  
  现在,宾州州立大学自然灵感工程实验室的黄得胜教授带领研究团队,研发了一款“超滑涂层”。使用这种涂层制造的马桶内壁,真正做到了“不粘连”,可以使单次冲刷的用水量减少至少一半。在发表于《自然•可持续性》的论文中,他们将这款涂层命名为liquid-entrenchedsmoothsurface,翻译过来就是液体固定的光滑表面。其英文缩写也相当贴切:LESS。论文第一作者,是黄得胜实验室的博士后,本科毕业于清华大学的王京。
  
  近10年前,在哈佛大学做博士后时,黄得胜就从猪笼草身上汲取了灵感,制造出新型超滑材料。
  
  猪笼草,一种罕见的以昆虫为食的植物,相信读者一定有所耳闻。一旦猎物进入猪笼草布下的陷阱,这种植物光滑的内壁使得它们无法再爬出来,只能落入笼底,最终被分解。这是因为,猪笼草的内壁是一层蜡质材料。在微尺度上可以发现,在恰当的位置上,水起到了润滑作用,使得昆虫在接触后迅速滑落。
  
  现在,基于这样的思路,研究团队制造出能够让各种黏性物质滑落的升级版材料。
  
  为了实现这样的目标,马桶内壁的材料需要满足两个条件:其一,表面的粗糙程度要尽可能地低,也就是马桶内壁要尽量光滑;其二,排泄物接触马桶时,马桶与空气的界面、排泄物与空气界面的表面自由能都要尽可能地低。要做到这一点,就要让马桶表面更加润滑。
  
  基于这样的思路,研究团队最终打造出革命性的LESS涂层。令人惊叹的是,将普通的陶瓷马桶改造成不粘马桶,只需要两个喷涂的步骤,用时更是只需要5分钟。
  
  首先,需要向普通马桶喷涂一层聚二甲基硅氧烷的基底。这是一种长链聚合物,其末端可以与马桶表面紧密相连,形成茂密的“纳米毛发”。不过,这样的“毛发”直径只有人类头发的百万分之一。
  
  这层基底打好后,第二步,也就是最后一步,是喷洒一层1毫米厚的硅油润滑剂。硅油可以与基底的疏水聚合物紧密结合,同时对任何落下的物质起到润滑作用。
  
  就这样,一款不粘马桶改造完成了。至于效果如何,研究人员进行了多轮测试。
  
  真的好用,但是……
  
  首先是液体。相比于液滴在普通涂层上的驻足,落在LESS涂层上的液滴迅速滚落。当然,考虑到防水涂层已经用于一些马桶中,这样的测试显然不够令人激动。
  
  接下来,测试的主角是人工合成的粪便。出于……各种考虑,研究人员根据粪便的黏度特征,用有机材料模拟了真实的粪便。当然,由于含水量的差异,真正的粪便黏性不尽相同,这里研究团队在模拟时也进行了相应的调整。但无论是什么样的“粪便”,在LESS涂层上都是如丝般顺滑。
  
  事实上,无论是液体、固体残留物还是细菌,黏度系数相差9个数量级的物质,在这款涂层上都会立刻滑落。
  
  当然,你可能会说,这些人造的物质和真实的排泄物怎么能一样呢?为了进一步证实自己的结论,在研究的最后,研究团队还是做了你们最想看的试验——用真实的粪便,分别滴落在LESS涂层、陶瓷材料、特氟龙和硅树脂材料上。结果和前面一样,只有在LESS涂层上,粪便才能顺溜地滑落。
     
  使用这样的马桶,对于节约水资源的作用也立竿见影。研究指出,使用普通的马桶,一般需要至少6升水,才能冲洗干净;而对于LESS涂层,根据“粪便”含水量的差异,冲马桶的用水量可以减少50%~90%不等。此外,这种“不粘”马桶还可以有效杜绝细菌在马桶内壁滋生,不仅更卫生,马桶的气味也不那么难闻了。
  
  可以说,LESS涂层的效果已经得到严格的验证。现在,除了在实验室中继续开展研究,黄得胜还带领团队将这项技术投入生产中。他们已经成立了一家初创公司:spotLESS材料,而基于LESS技术的产品也已开始售卖。
  
  如果说,到目前为止的描述都令你充满期待,接下来这个事实可能会让你更加客观冷静。LESS涂层拥有众多优点,但它也有自己的问题:不能一劳永逸。硅油属于消耗品,冲一次少一次。冲洗大约500次后,就需要喷洒新的硅油涂层了。如果是普通的一家三口使用这款马桶,可能一个月内就需要添加新的涂层。而聚二甲基硅氧烷基底虽然比硅油耐用,但长期使用后,也需要修补。由此引发的另一个问题是,在缺水的不发达地区,使用这类马桶的成本似乎过于高昂。
  
  盖茨基金会负责水、卫生项目的高级项目官员CarlHensman就表示,目前将这项技术用于那些发展中国家“几乎不可能”。Hensman认为,这样的技术令人激动,但它需要在将来得到改进,从而“最终实现可持续性”。
  
  那么,这样不粘连的马桶,你想用吗? 
  
  原始论文:
  
  Viscoelasticsolid-repellentcoatingsforextremewatersavingandglobalsanitation,NatureSustainability,DOI:10.1038/s41893-019-0421-0

(责任编辑:李铁民)
 
 
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