全世界约有24亿人无法获得充足的厕所设施，每天有数百名儿童死于可预防的、与卫生相关的腹泻疾病。 但在许多资源匮乏的环境中，日益严重的水资源短缺问题，是满足对清洁、可用的厕所需求的一个障碍。 “世界上许多地方没有冲水马桶，因为他们根本没有运行它们所需的水，”密歇根州立大学的工程师彼得·利勒霍伊说。 像许多其他研究人员一样，他认为，最大限度地减少每次清洁马桶所需的水量将增加卫生设施的普及。
为了设计更可持续的设施，比尔及梅琳达·盖茨基金会发起了“改造厕所挑战” 几年前。 大多数参与者都专注于将厕所重新设计为 高科技设备，例如，可以使用太阳能或将人类排泄物转化为廉价能源和净水。 但据盖茨基金会水、环境卫生和个人卫生项目高级项目官员卡尔·亨斯曼称，即使是最精美的新型马桶也必须应对更根本的问题，即“改善防污性”——防止污物粘附在马桶表面。
残留在标准釉面马桶（底部）上的水滴会迅速从涂有LESS涂层的表面（顶部）滑落。 来源：Jing Wang 和 Tak-Sing Wong 宾夕法尼亚州立大学
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现在，宾夕法尼亚州立大学的一个材料科学家团队开发出了一种有前景的潜在解决方案：一种超滑涂层，可防止液体和固体废物粘附在马桶壁上，从而将冲洗所需的水量减半。 研究人员表示，它比现有的用于马桶的疏水或防水涂层更有效，后者能很好地去除液体废物，但对固体废物的效果较差。 这种新型饰面还具有抗菌性，研究人员表示，这将减少浴室异味的主要原因，并减少 90% 的保持马桶卫生所需的清洁材料用量。
“我们认为这可能会产生重大影响，因为每个人都需要使用厕所。 每个人都希望厕所是干净的，”宾夕法尼亚州立大学材料科学家黄德胜说，他是该研究的资深作者，该研究周一发表在《自然·可持续发展》杂志上。
这种名为液体浸渍光滑表面 (LESS) 的新型涂层由两层组成。 首先，研究人员将一种名为聚二甲基硅氧烷的硅酮材料喷洒在马桶内壁上，该材料形成长链状分子，称为聚合物。 这些链的末端将自身固定在马桶表面，形成永久性的“纳米毛发”基层。 然后，在该层上喷洒一层约千分之一毫米厚的硅油润滑剂（大约是大肠杆菌细菌长度的一半）。 构成基层疏水聚合物可以防水，但会吸引硅油，使润滑剂保持约 500 次冲洗（之后必须添加更多硅油）。 这一概念的灵感来自食肉猪笼草，它具有管状的变态叶，其光滑的内表面导致倒霉的昆虫滑入其陷阱。 “关键创新之一是使用光滑的润滑表面，自然界多年来一直在使用这种表面，”黄教授说。
一些疏水涂层对固体无效，但 LESS 有助于合成粪便比标准马桶（右）更快地从涂有涂层的马桶（左）上滑落。 来源：Jing Wang 和 Tak-Sing Wong 宾夕法尼亚州立大学
涂层需要耗材——定期重新涂抹硅油以及最终维修或更换纳米毛发——这意味着维护成本可能会在某些社区构成障碍。 亨斯曼说，尽管这篇论文提出了“实际上非常吸引人的结果”，“但这种完全相同的方法不太可能在全球发展中国家实施。” 尽管如此，他补充说，这个概念很有趣，将来可能会进行修改或在此基础上进行构建。 “我受过化学方面的教育。 所有这些东西都让我感到兴奋，”亨斯曼说。 “但随后你必须进行现实检验，即‘这对商业模式有何影响？’ 因为归根结底，它必须是可持续的。”
财务可持续性可能是一个问题，但至少人们认为这些材料对环境的影响相对较低。 亨斯曼说，硅酮纳米毛发由牙膏和化妆品中常见的化学物质制成，并且已经存在于废水中。 至于硅油，它是一种常用的润滑剂。 “我认为这是这项技术的独特优势之一，”未参与这项研究的利勒霍伊说。 “它不需要有害、有毒或昂贵的化学品。 这是非常容易获得的。” 有一些证据表明，硅油在大量使用时可能是一个环境问题，但通常不被认为在论文中建议的水平下是危险的。
即使这种涂层没有进入发展中国家的厕所，其创造者也设想了该技术的多种应用。 黄教授建议，它可以保护船体免受“生物污损”，即藤壶和其他海洋生物的积聚。 它还可以减少风力涡轮机叶片上效率降低的昆虫残骸或其他污染物的积聚，或帮助保持汽车挡风玻璃清洁（以及其他汽车用途）。 利勒霍伊从事医疗设备和诊断工作，他补充说，医院可能会使用 LESS 来防止细菌粘附在表面上。 他认为它可以涂覆内窥镜、导管和植入式设备，以最大限度地减少细菌的粘附，从而降低感染风险。 去年，黄教授的团队创建了一家初创公司 spotLESS 材料公司，以使该涂层可用于商业用途。
spotLESS 材料公司首席执行官兼黄教授实验室最近的博士毕业生比尔吉特·博斯奇奇·斯托金说：“所有这些应用的共同点是表面污染引起的问题。 “我们的团队热衷于将技术从实验室带到现实世界，在那里它可以产生真正的影响。”