为了让你的便便不粘在马桶上， 科学家做了哪些努力？

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科学博览

当我们在马桶上方便时，经常遇到马桶上有“残留”的尴尬。在你一次又一次按下冲水键，但残留的便便依然在马桶壁上与你面面相觑的时候，你可能会想：这个世界上为什么就不能有不粘便便的马桶呢？

事实上，这个问题也引发了科学家们的兴趣。

为什么我们需要不粘便便的马桶？

为什么便便会这么黏呢？

南非夸祖鲁-纳塔尔大学的伍莱（SM Woolley）等人研究发现，便便的黏度和含水量密切相关，而便便的含水度又受到摄入膳食纤维和蛋白质的影响。然而，摄入富含蛋白质的食物（如肉类和豆类）和富含膳食纤维的食物（如水果、蔬菜和全谷物）对于人类保持健康的消化系统至关重要，它们在人类食谱中具有不可或缺的地位。

在保持饮食结构不大幅调整的前提下，要想改变便便的黏度并不容易。

富含蛋白质和膳食纤维的食物在人类食谱中具有重要地位

（图片来源：作者）

为了解决马桶上有“残留”的尴尬，人们开发出了各种原理独特、冲水力强大的马桶。然而，这些强力冲水型马桶的高水流量导致用水量大幅增加，带来了新的问题。

调查数据显示，全世界每天都要花费超过1410亿升的淡水来冲厕所（非洲人口总用水的六倍），而城市居民的冲厕用水要占到全部生活用水的30%—35%，这两个数字令人咋舌。与此同时，联合国教科文组织和联合国水机制共同发布的2023年《联合国世界水发展报告》显示，全世界仍有20亿至30亿人面临缺水困境。这种矛盾情况迫使人们不得不寻找其他解决方案。

在研究了便便和马桶之间的奇妙关系后，科学家们最终提出了一个解决方案：设计一款不粘便便的马桶！

如何让便便不粘在马桶上？

或许你的第一反应是，要实现不粘连，在马桶上加一层涂层就可以了，科学家也是这么想的。

猪笼草，生物界闻名遐迩的食虫植物，它们的叶片特化为一个个瓶状捕虫笼，捕虫笼内壁具有多孔的微结构且填充有润滑液。被猪笼草蜜腺吸引而落入捕虫笼的昆虫在内壁上站立不稳，很难逃出生天。这种神奇的现象引发了科学家们的关注。

猪笼草捕笼的内壁，形似马桶

（图片来源：wikipedia）

美国宾夕法尼亚州立大学黄得胜（Tak-Sing Wong）团队从猪笼草身上汲取了灵感，开发了一款“超滑涂层”——LEES（liquid-entrenched smooth surface，液体固定的光滑表面）。

只需先用聚二甲基硅氧烷在马桶表面形成纳米级“毛发”基底，再喷涂硅油润滑剂，只需要5分钟就能在普通陶瓷马桶的表面形成LEES涂层，使其变得更加顺滑。

科学家先后在使用这种涂层制造的马桶内壁上测试了水、人造混合粪便、真实粪便，发现LEES涂层能够将粪便这样的粘弹性流体的附着力降低约90%，基本做到了“不粘连”。

LESS涂层对于节约水资源的作用也立竿见影，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。LEES层还具有一定抑菌效果，能够进一步减少气味的产生。

LEES涂层（左）和无涂层马桶（右）去除人工合成粪便效果对比

（图片来源：文献[3]）

在LESS基础上，近十年来科学家们不断改善这种涂层技术，开发效果更好的涂层，并将其广泛应用于防污、自洁、防结冰等领域。

不过，这种涂层技术也有自己的问题。以LESS为例，在冲洗大约500次后，就需要在马桶上喷洒新的硅油涂层了，而聚二甲基硅氧烷基底在长期使用后也需要修补，每次修补需要15美元（约合人民币109元）。在缺水的不发达地区，使用这类技术似乎过于繁琐，成本也过于高昂。

有没有能够一劳永逸的办法？

华中科技大学的苏斌教授团队同样从猪笼草的捕虫笼内壁的微结构中获取灵感，决定从马桶本身入手。他们以塑料和特殊的沙粒的混合物为原材料，3D打印出了尺寸是普通马桶1/10的马桶模型。

在3D打印的过程中，激光会将原材料烧结。烧结是一种化学过程，可将两种类型的固体压实和组合在一起，并且重要的是，这会产生多孔结构——固体颗粒之间有许多微小的间隙。因此，润滑油能够储存在整个马桶表面上，甚至渗透进内部。如此一来，表面的润滑油流失之后，就能从马桶的内部更深处得到补充，达到一劳永逸的效果。

同时，这种多孔结构让马桶更加耐磨，哪怕是用砂纸擦洗1000多次后，迷你马桶依旧光滑如初。

当然，这种马桶离走入我们的生活还有很远的路要走，因为要先打印出实际尺寸的马桶，再降低制造成本。

合成粪便仍能从表面被砂纸打磨1000次的迷你马桶的底孔中滑出

（视频来源：文献[2]）

为何便便能够不沾在马桶上？

在化学层面上，猪笼草、LESS涂层、迷你马桶的超滑性都源于一种称为“疏水性”（hydrophobic）的材料特性。具有疏水性的材料表面接触水，水滴会形成一个圆珠状，很难浸润表面。

这是因为材料表面分子之间的相互作用力大于水分子与表面之间的作用力。而对应地，材料表面分子之间的相互作用力小于水分子与表面之间的作用力的表面，具有亲水性（hydrophilic）。

我们通常通过测量液滴边缘与固体表面之间的夹角（即接触角）来确定一种固体表面亲水或者疏水的作用大小。不难看出，当水滴在固体表面完全铺展开时，接触角应为0°，而如果水滴完全保持球形，接触角则应为180°。

水滴在亲水、疏水和超疏水表面上的接触角

（图片来源：文献[5]）

因此，接触角越大，表明固体疏水性越强。当接触角超过150°时，科学家为这一性质起了一个新名字：“超疏水性”（superhydrophobic）。除了上述提到的猪笼草和涂层，自然界中的莲花、芋、甘蓝等植物的叶片和闪蝶属蝴蝶的翅膀都具有这种特性，这是其粗糙或多孔的微观结构决定的。

荷叶（左）、闪蝶属蝴蝶翅（右）都是常见的疏水表面

（图片来源：维基百科）

结语

为让你的便便不粘在马桶上，科学家们做了许多努力，但目前仍有许多问题亟待解决。不过我们相信，随着材料学的进步，终有一天，不粘马桶会走进我们的日常生活中。

参考文献

[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).