你知道全世界每天有多少升水用來沖廁所嗎？我們來算一算，市面上的節水型便器沖洗大便的標準水耗為6升/次，沖洗小便的水耗為3升/次，保守估計人均一天上廁所的水耗20升。若全球75億人口都用上抽水馬桶，那么一不小心全世界一天就要用掉1500億升水了。

上一次廁所的耗水量相當于倒六瓶可樂進下水道？為什么要用這么多水？這主要和人類糞便的黏性有關，其需要大量水才能被沖刷干凈。為了節約沖廁用水，美國賓夕法尼亞州立大學和英國Cranfield大學的科學家和工程師設計了一種新型馬桶涂層。據說這種特殊材料可將液體、細菌和黏性固體統統拒之門外，只要給馬桶內壁涂上一層，馬上變身“不粘桶”，而且水耗可以減少90%。他們的研究成果在2019年11月中旬發表在《Nature Sustainability》后，立刻成為媒體爭相報道的對象。這到底是什么黑科技呢？今天的IWA微信公眾號將帶大家一探究竟。

過去的老式馬桶水耗高達11升。2011年7月，中國出臺了一個強制性新國標——標準小便器平均用水量不超過3升，坐便器平均用水量不超過6升，蹲便器平均用水量不超過8升，不符合這些強制性標準的產品將不允許出售。馬桶水耗的改善，有賴于馬桶材料和設計的改進：首先是馬桶表面改用更加光滑的細陶材質，然后就是排水到存水彎內壁也要上釉面，第三就是水流力度的加強。

如果馬桶表面的光滑程度能進一步改善，水耗豈不可以進一步減少？這也是英美聯合團隊所想到的，為此他們研發出一種名叫LESS的新涂層（全稱為Liquid-Entrenched Smooth Surface）。它由兩種可以噴射的涂料組成，而且可以用于碳鋼、陶瓷或其他硬質表面。第一次噴液干了之后，會形成薄薄的類似毛發的納米結構，但這些“毛發”非常小，每個分子的直徑僅為一根人類頭發的百萬分之一，所以肉眼是看不見的。第二次噴液加上的是一種潤滑劑，會覆蓋那些“頭發”，兩層材料有很好的化學親和力，最后形成一個光滑表面。如下圖所示，將涂有這層材料的小板傾斜擺放，無論是看得見的水、黏性固體還是看不見的細菌都無法在上面停留。防止了糞便殘留，同時也等于杜絕了細菌在糞便殘留物上繁衍的機會。一些所謂的自凈廁所會用到紫外線，目的就是消滅這些細菌。這種新型涂層不僅可節水，而且還自帶除菌功能，可以想象它很快會受到衛生部門專家的關注。

LESS材料的制造：上圖(a)是原理示意圖，LESS涂層是一個兩步噴涂的過程；PDMS接枝的聚合物層和潤滑劑形成良好的化學親和力；(b)實際測試效果 |圖源：Nature/ sci-news.com

這涂層聽上去這么厲害，耐用性如何呢？據研發團隊介紹，目前這個涂層可以滿足連續500次的沖洗。實際需要補給的是第二層的潤滑劑，因為第一層的納米材料可以一直粘附。如果一個四口之家共用一個廁所，估計每兩周要補噴一次，而在一些商業寫字樓，則2-3天就要補噴一次。

既然涂層會有損耗，這些物質會對環境造成污染嗎？該項目的主要負責人，美國賓州州立大學自然靈感工程實驗室的黃得勝博士說表示，LESS涂層包含有機硅，這些有機硅可在土壤中分解為相對無害的二氧化硅、水和二氧化碳，因此不會危害自然環境。

圖. LESS涂層和其他材質的表面的對比試驗 | 圖源：Nature Sustainability

黃博士的很多研究都跟仿生學有關。其實早在2011年在哈佛做博士后時，他就從豬籠草身上汲取了靈感，制造出幾乎能排斥任何液體的超滑材料，其研究成果還發表在當年9月的《自然》期刊上。

豬籠草，因為葉子長得像個水罐，因此英文叫pitcher plant。喜歡看BBC自然紀錄片的朋友對它一定不會陌生，一旦獵物進入其袋后便無法再爬出來，這是主要是因為豬籠草的內壁是一層蠟質材料。受其啟發，黃博士和他的團隊將一種潤滑劑注入具有納米微結構的透氣性材料中，制成了一種具有疏水表面的材料，取名“灌注液體的光滑透氣表面”，簡稱SLIPS。

雖然黃博士的研究團隊就生成這種材料能在生物醫學流體處理、燃料運輸、防污、防凍等方面有著廣泛應用，但他究竟是怎么想到用它來作為節水馬桶涂層的呢？

圖. 豬籠草 | 圖源：National Geography

黃博士是在2015年才開始對廁所研究感興趣的。原因是當時來自Cranfield大學的科學家有一件事情要黃博士幫忙。IWA微信公眾號曾在2019年5月的微信推送里介紹過英國Cranfield大學的基于納米膜的新型廁所設計。這一項目拿到了比爾及梅琳達·蓋茨基金會的廁所創新創意大賽（Reinvent the Toilet Challenge）的資助，按照規則設計的新型廁所不能太過昂貴，必須是發展中國家的人也用得起的廁所。英國團隊的學者大多是污水處理的專家，在設計能量自給、固液分離的廁所方面沒有問題，但是萬萬沒想到會被粘在馬桶里的糞便殘留難住了。當時黃博士在超滑材料方面已經很有名氣，所以Cranfield大學就找上門來尋求幫忙，這也就解釋為何是黃博士團隊和Cranfield團隊聯合發表文章了。

圖. Cranfield大學的納米膜廁所的實體原型 | 圖源：IWA

盡管LESS材料這么多優點，但對于發展中國家和地區的人而言，上邊這種高科技馬桶還是太過昂貴了。不過這也沒有影響黃博士和他團隊對LESS材料的商業化探索。他們成立了一家名為SpotLESS Materials的公司，將LESS涂層包裝成兩個小噴瓶來銷售。我們截了一下產品的官網圖，套裝的售價為$20美元。你愿意下單嗎？

參考資料

• https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/how-could-a-slippery-toilet-seat-save-water-327379

• https://www.youtube.com/watch?v=rlYc8RfqA3I&feature=emb_logo

• https://www.spotlessmaterials.com/store/p14/Coating_Kits.html

• https://www.nature.com/articles/s41893-019-0421-0

• https://news.psu.edu/story/598131/2019/11/18/research/new-slippery-toilet-coating-provides-cleaner-flushing-saves-water

• http://www.sci-news.com/othersciences/materials/liquid-entrenched-smooth-surface-07863.html

• https://mp.weixin.qq.com/s/2hQAsN6O_SdSPVRD4wzWbQ

• https://www.mne.psu.edu/wong/

• https://www.nationalgeographic.com.au/animals/these-spiders-feed-their-leftovers-to-carnivorous-plants.aspx