Welche Anstrengungen haben Wissenschaftler unternommen, um zu verhindern, dass Ihr Kot an der Toilette kleben bleibt?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Wenn wir die Toilette benutzen, sind wir oft mit der peinlichen Situation konfrontiert, dass sich „Rückstände“ auf der Toilette befinden. Wenn Sie immer wieder auf die Spültaste drücken, aber der restliche Kot immer noch an der Toilettenwand klebt, fragen Sie sich vielleicht: Warum gibt es auf dieser Welt keine Toilette, an der kein Kot kleben bleibt?

Tatsächlich hat diese Frage auch das Interesse von Wissenschaftlern geweckt.

Warum brauchen wir eine Toilette, an der kein Kot kleben bleibt?

Warum ist Kot so klebrig?

SM Woolley und andere von der University of KwaZulu-Natal in Südafrika fanden heraus, dass die Viskosität des Stuhls eng mit seinem Wassergehalt zusammenhängt und dass der Wassergehalt des Stuhls durch die Aufnahme von Ballaststoffen und Proteinen beeinflusst wird. Der Verzehr von proteinreichen Lebensmitteln (wie Fleisch und Bohnen) und ballaststoffreichen Lebensmitteln (wie Obst, Gemüse und Vollkornprodukte) ist für den Menschen jedoch von entscheidender Bedeutung, um ein gesundes Verdauungssystem aufrechtzuerhalten, und sie nehmen in der menschlichen Ernährung einen unverzichtbaren Platz ein.

Es ist nicht einfach, die Viskosität des Stuhls zu ändern, ohne größere Anpassungen an Ihrer Ernährung vorzunehmen.

Protein- und ballaststoffreiche Lebensmittel spielen in der menschlichen Ernährung eine wichtige Rolle.

(Bildquelle: Autor)

Um das peinliche Problem der „Rückstände“ auf der Toilette zu lösen, wurden verschiedene Toiletten mit einzigartigen Prinzipien und starker Spülkraft entwickelt. Der hohe Wasserdurchfluss dieser Toiletten mit starker Spülung hat jedoch zu einem erheblichen Anstieg des Wasserverbrauchs geführt, was neue Probleme mit sich bringt.

Umfragedaten zeigen, dass weltweit täglich mehr als 141 Milliarden Liter Frischwasser zum Spülen von Toiletten verbraucht werden (das sechsfache des gesamten Wasserverbrauchs der afrikanischen Bevölkerung) und dass das Wasser, das Stadtbewohner zum Spülen von Toiletten verwenden, 30 bis 35 % ihres gesamten häuslichen Wasserverbrauchs ausmacht. Diese beiden Zahlen sind erschütternd. Gleichzeitig zeigt der gemeinsam von der UNESCO und UN-Water veröffentlichte Weltwasserentwicklungsbericht 2023 der Vereinten Nationen, dass weltweit noch immer zwei bis drei Milliarden Menschen unter Wasserknappheit leiden. Diese widersprüchliche Situation zwingt die Menschen, andere Lösungen zu finden.

Nachdem Wissenschaftler die seltsame Beziehung zwischen Kot und Toiletten untersucht hatten, kamen sie endlich auf eine Lösung: Sie mussten eine Toilette entwickeln, an der kein Kot kleben bleibt!

Wie verhindert man, dass Kot an der Toilette kleben bleibt?

Ihre erste Reaktion ist vielleicht, dass Sie zum Erzielen einer Antihaftwirkung lediglich eine Beschichtungsschicht auf die Toilette auftragen müssen. Wissenschaftler sind dieser Meinung.

Nepenthes, in der biologischen Welt bekannte fleischfressende Pflanzen, haben Blätter, die zu flaschenförmigen Insektenfangkrügen spezialisiert sind. Die Innenwände der Krüge weisen eine poröse Mikrostruktur auf und sind mit Schmierflüssigkeit gefüllt. Insekten, die von den Nektardrüsen der Kannenpflanze angelockt werden und in die Insektenfalle fallen, können an der Innenwand nicht sicher stehen und nur schwer entkommen. Dieses magische Phänomen hat die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler erregt.

Die Innenwand des Kannenpflanzenkäfigs ist wie eine Toilette geformt

(Bildquelle: Wikipedia)

Das Team um Tak-Sing Wong an der Pennsylvania State University in den USA ließ sich von Kannenpflanzen inspirieren und entwickelte eine „super-rutschige Beschichtung“ – LEES (liquid-entrenched smooth surface).

Bilden Sie mit Polydimethylsiloxan einfach eine nanometergroße „Haar“-Basis auf der Toilettenoberfläche und sprühen Sie anschließend Silikonöl-Schmiermittel auf. Es dauert nur 5 Minuten, bis sich auf der Oberfläche einer gewöhnlichen Keramiktoilette eine LEES-Beschichtung bildet, die sie glatter macht.

Wissenschaftler haben Wasser, künstliche Mischfäkalien und echte Fäkalien an den Innenwänden von Toiletten mit dieser Beschichtung getestet und festgestellt, dass die LEES-Beschichtung die Haftung viskoelastischer Flüssigkeiten wie Fäkalien um etwa 90 % verringern kann und somit im Wesentlichen eine „Antihaftwirkung“ erreicht.

Die LESS-Beschichtung trägt zudem unmittelbar zur Einsparung von Wasserressourcen bei. Je nach Wassergehalt des „Kots“ kann der Wasserverbrauch für die Toilettenspülung um 50%-90% reduziert werden. Die LEES-Schicht verfügt zudem über eine gewisse antibakterielle Wirkung, wodurch die Geruchsbildung zusätzlich reduziert werden kann.

Vergleich der Wirksamkeit von LEES-beschichteten (links) und unbeschichteten Toiletten (rechts) bei der Entfernung synthetischer Fäkalien

(Bildquelle: Referenz [3])

Basierend auf LESS haben Wissenschaftler diese Beschichtungstechnologie im letzten Jahrzehnt kontinuierlich verbessert, Beschichtungen mit besserer Wirkung entwickelt und sie in großem Umfang in den Bereichen Antifouling, Selbstreinigung, Vereisungsschutz und anderen Bereichen eingesetzt.

Allerdings bringt diese Beschichtungstechnologie auch ihre eigenen Probleme mit sich. Am Beispiel von LESS muss nach etwa 500 Spülungen eine neue Silikonölbeschichtung auf die Toilette gesprüht werden, und auch die Polydimethylsiloxanbasis muss nach längerem Gebrauch repariert werden, und jede Reparatur kostet 15 US-Dollar (ungefähr 109 RMB). In unterentwickelten Gebieten mit Wasserknappheit kann der Einsatz solcher Technologien zu umständlich und kostspielig erscheinen.

Gibt es eine dauerhafte Lösung?

Das Team von Professor Su Bin an der Huazhong University of Science and Technology ließ sich auch von der Mikrostruktur der Innenwand des Insektenfangkäfigs der Kannenpflanze inspirieren und beschloss, mit der Toilette selbst zu beginnen. Sie verwendeten eine Mischung aus Kunststoff und speziellem Sand als Rohstoffe und druckten im 3D-Druckverfahren ein Toilettenmodell, das 1/10 der Größe einer gewöhnlichen Toilette hat.

Beim 3D-Druckprozess sintert der Laser das Rohmaterial. Sintern ist ein chemischer Prozess, bei dem zwei Arten von Feststoffen verdichtet und miteinander verbunden werden. Dabei entsteht eine poröse Struktur – mit vielen winzigen Zwischenräumen zwischen den Feststoffpartikeln. Dadurch kann sich das Gleitmittel auf der gesamten Oberfläche der Toilette ablagern und sogar ins Innere eindringen. Auf diese Weise kann das Schmieröl, nachdem es an der Oberfläche verloren gegangen ist, aus den tieferen Bereichen der Toilette wieder nachgefüllt werden, wodurch ein dauerhafter Effekt erzielt wird.

Gleichzeitig macht diese poröse Struktur die Toilette verschleißfester. Auch nach über 1.000-maligem Schrubben mit Schleifpapier ist die Minitoilette noch glatt wie neu.

Natürlich ist es noch ein weiter Weg, bis diese Art von Toilette Teil unseres Lebens werden kann, denn wir müssen die Toilette zunächst in Originalgröße drucken und dann die Herstellungskosten senken.

Aus der Bodenöffnung einer Minitoilette, deren Oberfläche 1.000 Mal abgeschliffen wurde, können immer noch synthetische Fäkalien herausrutschen.

(Videoquelle: Referenz [2])

Warum bleibt kein Kot an der Toilette kleben?

Auf chemischer Ebene beruhen die extrem rutschigen Eigenschaften von Kannenpflanzen, LESS-Beschichtungen und Minitoiletten auf einer Materialeigenschaft namens Hydrophobie. Wenn die Oberfläche eines hydrophoben Materials mit Wasser in Kontakt kommt, bilden die Wassertropfen eine Perlenform und es ist schwierig, die Oberfläche zu benetzen.

Dies liegt daran, dass die Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen auf der Oberfläche des Materials stärker sind als die Kräfte zwischen Wassermolekülen und der Oberfläche. Entsprechend ist eine Oberfläche hydrophil, bei der die Wechselwirkungskraft zwischen den Molekülen auf der Oberfläche eines Materials kleiner ist als die Wechselwirkungskraft zwischen den Wassermolekülen und der Oberfläche.

Normalerweise bestimmen wir die Hydrophilie oder Hydrophobie einer festen Oberfläche, indem wir den Winkel zwischen dem Rand eines Tropfens und der festen Oberfläche messen (d. h. den Kontaktwinkel). Es ist nicht schwer zu erkennen, dass der Kontaktwinkel 0° betragen sollte, wenn sich der Wassertropfen vollständig auf der festen Oberfläche verteilt, während der Kontaktwinkel 180° betragen sollte, wenn der Wassertropfen vollständig kugelförmig bleibt.

Kontaktwinkel von Wassertropfen auf hydrophilen, hydrophoben und superhydrophoben Oberflächen

(Bildquelle: Referenz [5])

Je größer also der Kontaktwinkel ist, desto hydrophober ist der Feststoff. Wenn der Kontaktwinkel 150° überschreitet, haben Wissenschaftler dieser Eigenschaft einen neuen Namen gegeben: „superhydrophob“ . Neben den bereits erwähnten Kannenpflanzen und Beschichtungen weisen in der Natur auch die Blätter von Pflanzen wie Lotus, Taro, Kohl und die Flügel von Morpho-Schmetterlingen diese Eigenschaft auf, die durch ihre raue oder poröse Mikrostruktur bestimmt wird.

Lotusblätter (links) und Morphofalterflügel (rechts) sind beides häufige hydrophobe Oberflächen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Abschluss

Wissenschaftler haben große Anstrengungen unternommen, um zu verhindern, dass Ihr Kot an der Toilette kleben bleibt, aber es gibt noch immer viele Probleme, die gelöst werden müssen. Wir sind jedoch davon überzeugt, dass Antihaft-Toiletten dank der Fortschritte in der Materialwissenschaft eines Tages Teil unseres täglichen Lebens sein werden.

Verweise

[1] Woolley, SM, et al. „Scherrheologische Eigenschaften von frischem menschlichen Stuhl mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt.“ Wasser sa 40.2 (2014): 273-276.

[2] Li, Yike, et al. „Abriebfeste und verbesserte superrutschige Toilettenspülungen, hergestellt mit einer selektiven Lasersinter-3D-Drucktechnologie.“ Fortschrittliche technische Werkstoffe (2023): 2300703.

[3] Wang, Jing, et al. „Viskoelastische, feststoffabweisende Beschichtungen für extreme Wassereinsparungen und globale Hygiene.“ Nature Sustainability 2.12 (2019): 1097-1105.

[4] Kreder, Michael J., et al. „Gestaltung von Anti-Eis-Oberflächen: glatt, strukturiert oder rutschig?“ Nature Reviews Materials 1.1 (2016): 1-15.

[5] Zhang, P. und FY Lv. „Ein Überblick über die jüngsten Fortschritte bei superhydrophoben Oberflächen und die neuen energiebezogenen Anwendungen.“ Energie 82 (2015): 1068-1087.

[6] Chen, Huawei, et al. „Kontinuierlicher gerichteter Wassertransport auf der Peristomoberfläche von Nepenthes alata.“ Nature 532.7597 (2016): 85-89.

[7] Wang, Dagui, et al. „Flüssigkeitsähnliche Polymer-Schmieroberflächen: Mechanismus und Anwendungen.“ Nanoforschung (2023).