當我們在馬桶上方便時，經常遇到馬桶上有「殘留」的尷尬。在你一次又一次按下衝水鍵，但殘留的便便依然在馬桶壁上與你面面相覷的時候，你可能會想：這個世界上為什麼就不能有不粘便便的馬桶呢？

事實上，這個問題也引發了科學家們的興趣。

Part.1

為什麼我們需要不粘便便的馬桶？

為什麼便便會這麼黏呢？

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，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）對於人類保持健康的消化系統至關重要，它們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）

為了解決馬桶上有「殘留」的尷尬，人們開發出了各種原理獨特、沖水力強大的馬桶。然而，這些強力沖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。

調查資料顯示，全世界每天都要花費超過1410億升的淡水來沖廁所（非洲人口總用水的六倍），而城市居民的衝廁用水要佔到全部生活用水的30%—35%，這兩個數字令人咋舌。與此同時，聯合國教科文組織和聯合國水機制共同發佈的2023年《聯合國世界水發展報告》顯示，全世界仍有20億至30億人面臨缺水困境。這種矛盾情況迫使人們不得不尋找其他解決方案。

在研究了便便和馬桶之間的奇妙關係後，科學家們最終提出了一個解決方案：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，科學家也是這麼想的。

豬籠草，生物界聞名遐邇的食蟲植物，它們的葉片特化為一個個瓶狀捕蟲籠，捕蟲籠內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的關注。

豬籠草捕籠的內壁，形似馬桶

（圖片來源：wikipedia）

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

只需先用聚二甲基矽氧烷在馬桶表面形成奈米級「毛髮」基底，再噴塗矽油潤滑劑，只需要5分鐘就能在普通陶瓷馬桶的表面形成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的附著力降低約90%，基本做到了「不粘連」。

LESS塗層對於節約水資源的作用也立竿見影，根據「糞便」含水量的差異，衝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為例，在沖洗大約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109元）。在缺水的不發達地區，使用這類技術似乎過於繁瑣，成本也過於高昂。

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豬籠草的捕蟲籠內壁的微結構中獲取靈感，決定從馬桶本身入手。他們以塑膠和特殊的沙粒的混合物為原材料，3D列印出了尺寸是普通馬桶1/10的馬桶模型。

在3D列印的過程中，鐳射會將原材料燒結。燒結是一種化學過程，可將兩種類型的固體壓實和組合在一起，並且重要的是，這會產生多孔結構——固體顆粒之間有許多微小的間隙。因此，潤滑油能夠儲存在整個馬桶表面上，甚至滲透進內部。如此一來，表面的潤滑油流失之後，就能從馬桶的內部更深處得到補充，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的生活還有很遠的路要走，因為要先列印出實際尺寸的馬桶，再降低製造成本。

合成糞便仍能從表面被砂紙打磨1000次的迷你馬桶的底孔中滑出

（視訊來源：文獻[2]）

Part.3

為何便便能夠不沾在馬桶上？

在化學層面上，豬籠草、LESS塗層、迷你馬桶的超滑性都源於一種稱為「疏水性」（hydrophobic）的材料特性。具有疏水性的材料表面接觸水，水滴會形成一個圓珠狀，很難浸潤表面。

這是因為材料表面分子之間的相互作用力大於水分子與表面之間的作用力。而對應地，材料表面分子之間的相互作用力小於水分子與表面之間的作用力的表面，具有親水性（hydrophilic）。

我們通常通過測量液滴邊緣與固體表面之間的夾角（即接觸角）來確定一種固體表面親水或者疏水的作用大小。不難看出，當水滴在固體表面完全鋪展開時，接觸角應為0°，而如果水滴完全保持球形，接觸角則應為180°。

水滴在親水、疏水和超疏水錶面上的接觸角

（圖片來源：文獻[5]）

因此，接觸角越大，表明固體疏水性越強。當接觸角超過150°時，科學家為這一性質起了一個新名字：「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定的。

荷葉（左）、閃蝶屬蝴蝶翅（右）都是常見的疏水錶面

（圖片來源：維基百科）

Part.4

結語

為讓你的便便不粘在馬桶上，科學家們做了許多努力，但目前仍有許多問題亟待解決。不過我們相信，隨著材料學的進步，終有一天，不粘馬桶會走進我們的日常生活中。

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).