全世界約有24億人無法獲得充足的廁所設施，每天有數百名兒童死於可預防的、與衛生相關的腹瀉疾病。 但在許多資源匱乏的環境中，日益嚴重的水資源短缺問題，是滿足對清潔、可用的廁所需求的一個障礙。 “世界上許多地方沒有沖水馬桶，因為他們根本沒有執行它們所需的水，”密歇根州立大學的工程師彼得·利勒霍伊說。 像許多其他研究人員一樣，他認為，最大限度地減少每次清潔馬桶所需的水量將增加衛生設施的普及。
為了設計更可持續的設施，比爾及梅琳達·蓋茨基金會發起了“改造廁所挑戰” 幾年前。 大多數參與者都專注於將廁所重新設計為 高科技裝置，例如，可以使用太陽能或將人類排洩物轉化為廉價能源和淨水。 但據蓋茨基金會水、環境衛生和個人衛生專案高階專案官員卡爾·亨斯曼稱，即使是最精美的新型馬桶也必須應對更根本的問題，即“改善防汙性”——防止汙物粘附在馬桶表面。
殘留在標準釉面馬桶（底部）上的水滴會迅速從塗有LESS塗層的表面（頂部）滑落。 來源：Jing Wang 和 Tak-Sing Wong 賓夕法尼亞州立大學
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現在，賓夕法尼亞州立大學的一個材料科學家團隊開發出了一種有前景的潛在解決方案：一種超滑塗層，可防止液體和固體廢物粘附在馬桶壁上，從而將沖洗所需的水量減半。 研究人員表示，它比現有的用於馬桶的疏水或防水塗層更有效，後者能很好地去除液體廢物，但對固體廢物的效果較差。 這種新型飾面還具有抗菌性，研究人員表示，這將減少浴室異味的主要原因，並減少 90% 的保持馬桶衛生所需的清潔材料用量。
“我們認為這可能會產生重大影響，因為每個人都需要使用廁所。 每個人都希望廁所是乾淨的，”賓夕法尼亞州立大學材料科學家黃德勝說，他是該研究的資深作者，該研究週一發表在《自然·可持續發展》雜誌上。
這種名為液體浸漬光滑表面 (LESS) 的新型塗層由兩層組成。 首先，研究人員將一種名為聚二甲基矽氧烷的矽酮材料噴灑在馬桶內壁上，該材料形成長鏈狀分子，稱為聚合物。 這些鏈的末端將自身固定在馬桶表面，形成永久性的“奈米毛髮”基層。 然後，在該層上噴灑一層約千分之一毫米厚的矽油潤滑劑（大約是大腸桿菌細菌長度的一半）。 構成基層疏水聚合物可以防水，但會吸引矽油，使潤滑劑保持約 500 次沖洗（之後必須新增更多矽油）。 這一概念的靈感來自食肉豬籠草，它具有管狀的變態葉，其光滑的內表面導致倒黴的昆蟲滑入其陷阱。 “關鍵創新之一是使用光滑的潤滑表面，自然界多年來一直在使用這種表面，”黃教授說。
一些疏水塗層對固體無效，但 LESS 有助於合成糞便比標準馬桶（右）更快地從塗有塗層的馬桶（左）上滑落。 來源：Jing Wang 和 Tak-Sing Wong 賓夕法尼亞州立大學
塗層需要耗材——定期重新塗抹矽油以及最終維修或更換奈米毛髮——這意味著維護成本可能會在某些社群構成障礙。 亨斯曼說，儘管這篇論文提出了“實際上非常吸引人的結果”，“但這種完全相同的方法不太可能在全球發展中國家實施。” 儘管如此，他補充說，這個概念很有趣，將來可能會進行修改或在此基礎上進行構建。 “我受過化學方面的教育。 所有這些東西都讓我感到興奮，”亨斯曼說。 “但隨後你必須進行現實檢驗，即‘這對商業模式有何影響？’ 因為歸根結底，它必須是可持續的。”
財務可持續性可能是一個問題，但至少人們認為這些材料對環境的影響相對較低。 亨斯曼說，矽酮奈米毛髮由牙膏和化妝品中常見的化學物質製成，並且已經存在於廢水中。 至於矽油，它是一種常用的潤滑劑。 “我認為這是這項技術的獨特優勢之一，”未參與這項研究的利勒霍伊說。 “它不需要有害、有毒或昂貴的化學品。 這是非常容易獲得的。” 有一些證據表明，矽油在大量使用時可能是一個環境問題，但通常不被認為在論文中建議的水平下是危險的。
即使這種塗層沒有進入發展中國家的廁所，其創造者也設想了該技術的多種應用。 黃教授建議，它可以保護船體免受“生物汙損”，即藤壺和其他海洋生物的積聚。 它還可以減少風力渦輪機葉片上效率降低的昆蟲殘骸或其他汙染物的積聚，或幫助保持汽車擋風玻璃清潔（以及其他汽車用途）。 利勒霍伊從事醫療裝置和診斷工作，他補充說，醫院可能會使用 LESS 來防止細菌粘附在表面上。 他認為它可以塗覆內窺鏡、導管和植入式裝置，以最大限度地減少細菌的粘附，從而降低感染風險。 去年，黃教授的團隊建立了一家初創公司 spotLESS 材料公司，以使該塗層可用於商業用途。
spotLESS 材料公司執行長兼黃教授實驗室最近的博士畢業生比爾吉特·博斯奇奇·斯托金說：“所有這些應用的共同點是表面汙染引起的問題。 “我們的團隊熱衷於將技術從實驗室帶到現實世界，在那裡它可以產生真正的影響。”