Khi sử dụng nhà vệ sinh, chúng ta thường gặp phải cảm giác bối rối vì "cặn bã" trong nhà vệ sinh. Khi bạn nhấn nút xả hết lần này đến lần khác mà phân còn sót lại vẫn nhìn chằm chằm vào bạn trên thành bồn cầu, có thể bạn sẽ nghĩ: Tại sao trên đời này không thể có một chiếc bồn cầu không dính phân? Trên thực tế, vấn đề này cũng đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học.
Tại sao chúng ta cần bồn cầu không dính phân?
Tại sao phân lại dính như vậy?
S.M. Woolley và những người khác từ Đại học KwaZulu-Natal ở Nam Phi đã phát hiện ra rằng độ nhớt của phân có liên quan chặt chẽ đến hàm lượng nước và hàm lượng nước trong phân bị ảnh hưởng bởi việc ăn vào chất xơ và protein. Tuy nhiên, việc tiêu thụ thực phẩm giàu protein (như thịt và các loại đậu) và thực phẩm giàu chất xơ (như trái cây, rau và ngũ cốc nguyên hạt) là rất quan trọng để con người duy trì hệ tiêu hóa khỏe mạnh và chúng đóng một vai trò không thể thiếu trong chế độ ăn uống của con người.
Không dễ để thay đổi độ nhớt của phân nếu không điều chỉnh mạnh mẽ chế độ ăn uống.
Thực phẩm giàu protein và chất xơ đóng vai trò quan trọng trong chế độ ăn uống của con người. Bức tranh này được vẽ bởi AI
Để giải quyết nỗi lo về "cặn" trên bồn cầu, người ta đã phát triển nhiều loại bồn cầu khác nhau với nguyên lý độc đáo và khả năng xả mạnh mẽ. Tuy nhiên, tốc độ dòng nước cao của những bồn cầu xả bằng điện này dẫn đến lượng nước tiêu thụ tăng đáng kể, tạo ra những vấn đề mới.
Dữ liệu khảo sát cho thấy thế giới tiêu tốn hơn 141 tỷ lít nước ngọt để xả nhà vệ sinh mỗi ngày (gấp 6 lần tổng lượng nước mà người dân châu Phi sử dụng) và nước xả nhà vệ sinh của cư dân thành thị chiếm 30% đến 35% tổng lượng nước sinh hoạt. Hai con số này thật đáng kinh ngạc. Đồng thời, Báo cáo Phát triển Nước Thế giới của Liên hợp quốc năm 2023 do UNESCO và Liên hợp quốc phối hợp công bố cho thấy 2 tỷ đến 3 tỷ người trên thế giới vẫn phải đối mặt với tình trạng thiếu nước. Tình huống nghịch lý này buộc con người phải tìm kiếm những giải pháp khác.
Sau khi nghiên cứu mối quan hệ tuyệt vời giữa phân và bồn cầu, các nhà khoa học cuối cùng đã đưa ra giải pháp: thiết kế bồn cầu không dính phân!
Có thể đạt được bồn cầu chống dính bằng cách thêm một lớp sơn phủ không?
Có lẽ phản ứng đầu tiên của bạn là để đạt được khả năng không bám dính, bạn chỉ cần thêm một lớp sơn phủ vào bồn cầu. Các nhà khoa học cũng nghĩ như vậy.
Cây bình là loài thực vật ăn thịt nổi tiếng trong thế giới sinh vật. Lá của chúng chuyên dùng làm bình đựng nước hình chai. Thành trong của bình có cấu trúc vi mô xốp và chứa đầy chất lỏng bôi trơn. Côn trùng bị thu hút bởi mật hoa của cây nắp ấm và rơi vào trong bình không thể đứng vững trên thành bình, khiến chúng khó thoát ra ngoài. Hiện tượng kỳ diệu này đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.
Thành trong của lồng nắp ấm trông giống như một nhà vệ sinh. Nguồn hình ảnh: wikipedia
Nhóm của Tak-SingWong tại Đại học bang Pennsylvania, Hoa Kỳ, lấy cảm hứng từ cây nắp ấm và phát triển một “lớp phủ siêu trơn” - LEES (bề mặt nhẵn cố định bằng chất lỏng, bề mặt nhẵn cố định bằng chất lỏng).
Bạn chỉ cần sử dụng polydimethylsiloxane để tạo thành lớp nền "sợi tóc" có kích thước nano trên bề mặt bồn cầu, sau đó xịt chất bôi trơn silicon. Chỉ mất 5 phút để tạo thành lớp phủ LEES trên bề mặt bồn cầu gốm thông thường, giúp bề mặt trở nên mịn màng hơn.
Các nhà khoa học đã thử nghiệm nước, phân hỗn hợp nhân tạo và phân thật trên thành trong của bồn cầu được làm bằng lớp phủ này. Họ phát hiện ra rằng lớp phủ LEES có thể làm giảm khoảng 90% độ bám dính của chất lỏng nhớt, đàn hồi như phân, về cơ bản đạt được "không bám dính". Lớp phủ
LESS cũng có tác dụng ngay lập tức trong việc tiết kiệm tài nguyên nước. Tùy thuộc vào hàm lượng nước trong "phân", lượng nước tiêu thụ để xả bồn cầu có thể giảm từ 50% đến 90%. Lớp LEES còn có tác dụng kháng khuẩn nhất định, có thể làm giảm sự phát sinh mùi hôi hơn nữa.
So sánh hiệu quả của bồn cầu có phủ LEES (trái) và không tráng phủ (phải) trong việc loại bỏ phân tổng hợp. Nguồn ảnh: Văn học [3]
Dựa trên LESS, các nhà khoa học đã liên tục cải tiến công nghệ phủ này trong mười năm qua, phát triển các lớp phủ có hiệu quả tốt hơn và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chống bám bẩn, tự làm sạch, chống đóng băng và các lĩnh vực khác.
Tuy nhiên, công nghệ phủ này cũng có những vấn đề riêng. Lấy LESS làm ví dụ, sau khoảng 500 lần xả, cần phun một lớp dầu silicon mới lên bồn cầu, đồng thời lớp nền polydimethylsiloxane cũng cần được sửa chữa sau khi sử dụng lâu dài. Mỗi lần sửa chữa tốn 15 đô la Mỹ (khoảng 109 RMB) . Ở những khu vực kém phát triển, nơi khan hiếm nước, việc sử dụng loại công nghệ này có vẻ quá cồng kềnh và tốn kém.
Có cách nào giải quyết một lần và mãi mãi không?
Nhóm của giáo sư Su Bin tại Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong cũng lấy cảm hứng từ cấu trúc vi mô của thành trong của cây nắp ấm và quyết định bắt đầu từ chính chiếc bồn cầu. Họ đã sử dụng hỗn hợp nhựa và cát đặc biệt làm nguyên liệu thô để in 3D mô hình bồn cầu có kích thước bằng 1/10 bồn cầu thông thường.
Trong quá trình in 3D, tia laser thiêu kết các nguyên liệu thô. Quá trình thiêu kết là một quá trình hóa học nén và kết hợp hai loại chất rắn lại với nhau và quan trọng là điều này tạo ra cấu trúc xốp - nhiều khoảng trống nhỏ giữa các hạt rắn. Kết quả là chất bôi trơn có thể đọng lại trên toàn bộ bề mặt của bồn cầu và thậm chí có thể thấm vào bên trong. Bằng cách này, sau khi dầu bôi trơn trên bề mặt bị mất đi, nó có thể được bổ sung từ sâu hơn bên trong bồn cầu, đạt được hiệu quả một lần và mãi mãi.
Đồng thời, cấu trúc xốp này giúp bồn cầu có khả năng chống mài mòn tốt hơn. Dù đã được chà bằng giấy nhám hơn 1.000 lần nhưng bồn cầu mini vẫn mịn màng như ngày nào.
Tất nhiên, loại bồn cầu này còn lâu mới đi vào cuộc sống của chúng ta, vì cần phải in kích thước thực tế của bồn cầu trước, sau đó mới giảm chi phí sản xuất.
Phân tổng hợp vẫn có thể trượt ra khỏi lỗ đáy của bồn cầu mini đã được chà nhám 1.000 lần. Nguồn: Văn học[2]
Tại sao phân không dính vào bồn cầu?
Ở mức độ hóa học, khả năng siêu trơn của cây nắp ấm, lớp phủ LESS và bồn cầu mini đều bắt nguồn từ một đặc tính vật liệu gọi là "kỵ nước". Khi bề mặt vật liệu kỵ nước tiếp xúc với nước, các giọt nước sẽ tạo thành dạng hạt, gây khó khăn cho việc làm ướt bề mặt.
Điều này là do lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt vật liệu lớn hơn lực giữa các phân tử nước và bề mặt. Tương ứng, bề mặt mà lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt vật liệu nhỏ hơn lực giữa các phân tử nước và bề mặt là ưa nước.
Chúng tôi thường xác định hiệu ứng ưa nước hoặc kỵ nước của bề mặt rắn bằng cách đo góc giữa mép của giọt nước và bề mặt rắn (tức là góc tiếp xúc). Không khó để nhận thấy rằng khi giọt nước trải đều trên bề mặt rắn thì góc tiếp xúc phải là 0°, còn nếu giọt nước vẫn hoàn toàn hình cầu thì góc tiếp xúc phải là 180°.
Góc tiếp xúc của giọt nước trên bề mặt ưa nước, kỵ nước và siêu kỵ nước. Nguồn ảnh: Văn học [5]
Do đó, góc tiếp xúc càng lớn thì tính kỵ nước của chất rắn càng mạnh. Khi góc tiếp xúc vượt quá 150°, các nhà khoa học đặt tên mới cho đặc tính này: "siêu kỵ nước". Ngoài các cây nắp ấm và lớp phủ nêu trên, lá sen, khoai môn, bắp cải và các loại cây khác trong tự nhiên và cánh của bướm Morpho đều có đặc điểm này, được quyết định bởi cấu trúc vi mô thô hoặc xốp của chúng.
Kết luận:
Các nhà khoa học đã nỗ lực rất nhiều để ngăn phân của bạn dính vào bồn cầu, nhưng vẫn còn rất nhiều vấn đề cần được giải quyết. Tuy nhiên, chúng tôi tin rằng với sự tiến bộ của khoa học vật liệu, một ngày nào đó, bồn cầu chống dính sẽ đi vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Tài liệu tham khảo
[1]Woolley,S.M.,etal."Đặc tính cắt học của phân người với nội dung độ ẩm khác nhau."Nước a40.2(2014):273-276.
[2]Li,Yike,etal."Chống mài mòn và tăng cườngSiêu trơnFlushNhà vệ sinhFabricatedbyaSelectiveLaserSintering3DPri ntingTechnology."Vật liệu kỹ thuật nâng cao (2023):2300703.
[3]Wang,Jing,etal."Sơn chống thấm rắnViscoelasticforextremewatersavi ngandglobalsanitation."NatureSustainability2.12(2019):1097-1105.
[4]Kreder,MichaelJ.,etal."Thiết kế bề mặt chống đóng băng:mịn,kết cấudo rslippery?."NatureReviewsMaterials1.1(2016):1-15.
[5]Zhang,P.,andF.Y.Lv."Areviewofthecentadvancesinsuperhydrophobiasurfacesandtheeme rgingenergycác ứng dụng liên quan đến năng lượng."Energy82(2015):1068-1087.
[6]Chen,Huawei,etal."Vận chuyển nước định hướng liên tục trên bề mặt nhu động ceofNepenthesalata."Nature532.7597(2016):85-89.
[7]Wang,Dagui,etal."Bề mặt bôi trơn polyme giống chất lỏng:cơ chế và ứng dụng."Na noResearch(2023).
Được lên kế hoạch và sản xuất bởi
Sản xuất bởi Popular Science China
TA GPH69Nhà sản xuất丨China Science ExpoTác giả丨Denovo Nhóm
Biên tập viên丨Yino