當我們(men) 在馬桶上方便時，經常遇到馬桶上有“殘留”的尷尬。在你一次又一次按下衝(chong) 水鍵，但殘留的便便依然在馬桶壁上與(yu) 你麵麵相覷的時候，你可能會(hui) 想：這個(ge) 世界上為(wei) 什麽(me) 就不能有不粘便便的馬桶呢？

事實上，這個(ge) 問題也引發了科學家們(men) 的興(xing) 趣。

Part.1

為(wei) 什麽(me) 我們(men) 需要不粘便便的馬桶？

為(wei) 什麽(me) 便便會(hui) 這麽(me) 黏呢？

南非誇祖魯-納塔爾大學的伍萊（SM Woolley）等人研究發現，便便的黏度和含水量密切相關(guan) ，而便便的含水度又受到攝入膳食纖維和蛋白質的影響。然而，攝入富含蛋白質的食物（如肉類和豆類）和富含膳食纖維的食物（如水果、蔬菜和全穀物）對於(yu) 人類保持健康的消化係統至關(guan) 重要，它們(men) 在人類食譜中具有不可或缺的地位。

在保持飲食結構不大幅調整的前提下，要想改變便便的黏度並不容易。

富含蛋白質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(wei) 了解決(jue) 馬桶上有“殘留”的尷尬，人們(men) 開發出了各種原理獨特、衝(chong) 水力強大的馬桶。然而，這些強力衝(chong) 水型馬桶的高水流量導致用水量大幅增加，帶來了新的問題。

調查數據顯示，全世界每天都要花費超過1410億(yi) 升的淡水來衝(chong) 廁所（非洲人口總用水的六倍），而城市居民的衝(chong) 廁用水要占到全部生活用水的30%—35%，這兩(liang) 個(ge) 數字令人咋舌。與(yu) 此同時，聯合國教科文組織和聯合國水機製共同發布的2023年《聯合國世界水發展報告》顯示，全世界仍有20億(yi) 至30億(yi) 人麵臨(lin) 缺水困境。這種矛盾情況迫使人們(men) 不得不尋找其他解決(jue) 方案。

在研究了便便和馬桶之間的奇妙關(guan) 係後，科學家們(men) 最終提出了一個(ge) 解決(jue) 方案：設計一款不粘便便的馬桶！

Part.2

如何讓便便不粘在馬桶上？

或許你的第一反應是，要實現不粘連，在馬桶上加一層塗層就可以了，科學家也是這麽(me) 想的。

豬籠草，生物界聞名遐邇的食蟲植物，它們(men) 的葉片特化為(wei) 一個(ge) 個(ge) 瓶狀捕蟲籠，捕蟲籠內(nei) 壁具有多孔的微結構且填充有潤滑液。被豬籠草蜜腺吸引而落入捕蟲籠的昆蟲在內(nei) 壁上站立不穩，很難逃出生天。這種神奇的現象引發了科學家們(men) 的關(guan) 注。

豬籠草捕籠的內(nei) 壁，形似馬桶（圖片來源：wikipedia）

美國賓夕法尼亞(ya) 州立大學黃得勝（Tak-Sing Wong）團隊從(cong) 豬籠草身上汲取了靈感，開發了一款“超滑塗層”——LEES（liquid-entrenched smooth surface，液體(ti) 固定的光滑表麵）。

隻需先用聚二甲基矽氧烷在馬桶表麵形成納米級“毛發”基底，再噴塗矽油潤滑劑，隻需要5分鍾就能在普通陶瓷馬桶的表麵形成LEES塗層，使其變得更加順滑。

科學家先後在使用這種塗層製造的馬桶內(nei) 壁上測試了水、人造混合糞便、真實糞便，發現LEES塗層能夠將糞便這樣的粘彈性流體(ti) 的附著力降低約90%，基本做到了“不粘連”。

LESS塗層對於(yu) 節約水資源的作用也立竿見影，根據“糞便”含水量的差異，衝(chong) 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(chan) 生。

LEES塗層（左）和無塗層馬桶（右）去除人工合成糞便效果對比（圖片來源：文獻[3]）

在LESS基礎上，近十年來科學家們(men) 不斷改善這種塗層技術，開發效果更好的塗層，並將其廣泛應用於(yu) 防汙、自潔、防結冰等領域。

不過，這種塗層技術也有自己的問題。以LESS為(wei) 例，在衝(chong) 洗大約500次後，就需要在馬桶上噴灑新的矽油塗層了，而聚二甲基矽氧烷基底在長期使用後也需要修補，每次修補需要15美元（約合人民幣109元）。在缺水的不發達地區，使用這類技術似乎過於(yu) 繁瑣，成本也過於(yu) 高昂。

有沒有能夠一勞永逸的辦法？

華中科技大學的蘇斌教授團隊同樣從(cong) 豬籠草的捕蟲籠內(nei) 壁的微結構中獲取靈感，決(jue) 定從(cong) 馬桶本身入手。他們(men) 以塑料和特殊的沙粒的混合物為(wei) 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(hui) 將原材料燒結。燒結是一種化學過程，可將兩(liang) 種類型的固體(ti) 壓實和組合在一起，並且重要的是，這會(hui) 產(chan) 生多孔結構——固體(ti) 顆粒之間有許多微小的間隙。因此，潤滑油能夠儲(chu) 存在整個(ge) 馬桶表麵上，甚至滲透進內(nei) 部。如此一來，表麵的潤滑油流失之後，就能從(cong) 馬桶的內(nei) 部更深處得到補充，達到一勞永逸的效果。

同時，這種多孔結構讓馬桶更加耐磨，哪怕是用砂紙擦洗1000多次後，迷你馬桶依舊光滑如初。

當然，這種馬桶離走入我們(men) 的生活還有很遠的路要走，因為(wei) 要先打印出實際尺寸的馬桶，再降低製造成本。

合成糞便仍能從(cong) 表麵被砂紙打磨1000次的迷你馬桶的底孔中滑出（視頻來源：文獻[2]）

Part.3

為(wei) 何便便能夠不沾在馬桶上？

在化學層麵上，豬籠草、LESS塗層、迷你馬桶的超滑性都源於(yu) 一種稱為(wei) “疏水性”（hydrophobic）的材料特性。具有疏水性的材料表麵接觸水，水滴會(hui) 形成一個(ge) 圓珠狀，很難浸潤表麵。

這是因為(wei) 材料表麵分子之間的相互作用力大於(yu) 水分子與(yu) 表麵之間的作用力。而對應地，材料表麵分子之間的相互作用力小於(yu) 水分子與(yu) 表麵之間的作用力的表麵，具有親(qin) 水性（hydrophilic）。

我們(men) 通常通過測量液滴邊緣與(yu) 固體(ti) 表麵之間的夾角（即接觸角）來確定一種固體(ti) 表麵親(qin) 水或者疏水的作用大小。不難看出，當水滴在固體(ti) 表麵完全鋪展開時，接觸角應為(wei) 0°，而如果水滴完全保持球形，接觸角則應為(wei) 180°。

水滴在親(qin) 水、疏水和超疏水表麵上的接觸角（圖片來源：文獻[5]）

因此，接觸角越大，表明固體(ti) 疏水性越強。當接觸角超過150°時，科學家為(wei) 這一性質起了一個(ge) 新名字：“超疏水性”（superhydrophobic）。除了上述提到的豬籠草和塗層，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構決(jue) 定的。

荷葉（左）、閃蝶屬蝴蝶翅（右）都是常見的疏水表麵（圖片來源：維基百科）

Part.4

結語

為(wei) 讓你的便便不粘在馬桶上，科學家們(men) 做了許多努力，但目前仍有許多問題亟待解決(jue) 。不過我們(men) 相信，隨著材料學的進步，終有一天，不粘馬桶會(hui) 走進我們(men) 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).出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監製：中國科普博覽

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