Каждый день более 141 миллиарда литров воды используется исключительно для смыва туалетов. Что, если миллионы людей во всем мире испытывают нехватку воды, что, если это количество можно уменьшить на 50%?
Возможность может существовать благодаря исследованию, проведенному в штате Пенсильвания, опубликованному сегодня (18 ноября) в журнале Nature Sustainability.
"Наша команда разработала прочное био-вдохновленное, жидкое, грязе- и бактериоотталкивающее покрытие, которое, по сути, может сделать туалет самоочищающимся", - сказал Так-Синг Вонг, ранний профессор инженерии Wormley и доцент. профессор машиностроения и биомедицинской инженерии.
В Лаборатории вдохновленной природой инженерии Вонга, расположенной в Департаменте машиностроения и Институте исследования материалов, исследователи разработали метод, который значительно сокращает количество воды, необходимое для смыва обычного унитаза, для чего обычно требуется 6 литров.
Разработанное совместно с Цзин Ваном, докторантом лаборатории Вонга, покрытие с гладкой поверхностью (LESS), закреплённое жидкостью, представляет собой двухэтапный спрей, который, среди прочего, можно наносить на керамический унитаз. Первый спрей, созданный из молекулярно привитых полимеров, является начальным шагом в создании чрезвычайно гладкой и водоотталкивающей основы.
"Когда он высыхает, первый спрей вырастает из молекул, похожих на маленькие волоски, диаметром примерно в 1 000 000 раз тоньше человеческого", - сказал Ван.
В то время как это первое нанесение создает исключительно гладкую поверхность, второе распыление наносит тонкий слой смазки вокруг этих наноскопических «волосков», чтобы создать сверхскользкую поверхность.
«Когда мы наносим это покрытие на унитаз в лаборатории и высыпаем на него синтетические фекалии, они (синтетические фекалии) просто полностью соскальзывают вниз, и к ним (унитазу) ничего не прилипает», - сказал Ван.
С этой новой скользкой поверхностью унитазы могут эффективно очищать остатки внутри чаши и утилизировать отходы, используя лишь часть воды, которая была необходима ранее. Исследователи также предсказывают, что покрытие может продержаться около 500 смывов в обычном унитазе, прежде чем потребуется повторное нанесение слоя смазки.
В то время как для отверждения других скользких поверхностей, пропитанных жидкостью, может потребоваться несколько часов, двухэтапное покрытие LESS занимает менее пяти минут. Эксперименты исследователя также показали, что поверхность эффективно отталкивает бактерии, особенно те, которые распространяют инфекционные заболевания и неприятные запахи.
Если бы он получил широкое распространение в Соединенных Штатах, он мог бы направить критически важные ресурсы на другие важные виды деятельности, в районы, пострадавшие от засухи, или в регионы, испытывающие хронический дефицит воды, говорят исследователи.
Руководствуясь этими гуманитарными решениями, исследователи также надеются, что их работа может оказать влияние на развивающиеся страны. Эту технологию можно использовать в безводных туалетах, которые широко используются во всем мире.
«Какашки, прилипшие к унитазу, не только неприятны для пользователей, но и представляют серьезную угрозу для здоровья», - сказал Вонг.
Однако, если бы в безводных унитазах или писсуарах использовалось покрытие LESS, команда прогнозирует, что эти типы приспособлений были бы более привлекательными и безопасными для широкого использования.
Чтобы решить эти проблемы как в Соединенных Штатах, так и во всем мире, Вонг и его сотрудники Ван, Биргит Бошич и Нэн Сун, выпускники факультета машиностроения, создали стартап.
При поддержке TechCelerator компании Ben Franklin Technology Partners, Национального научного фонда, Министерства энергетики, Управления военно-морских исследований, Конкурса бизнес-планов риса и Y-Combinator их компания SpotLESS Materials уже вывод на рынок покрытия LESS.
«Наша цель - вывести на рынок эффективную технологию, чтобы каждый мог извлечь выгоду», - сказал Вонг. «Чтобы максимизировать влияние нашей технологии покрытия, нам нужно получить ее за пределами лаборатории».
Глядя вперед, команда надеется, что материалы SpotLESS будут играть роль в поддержании мировых водных ресурсов и продолжат расширять сферу применения их технологий.
"Как исследователь в академической среде, моя цель состоит в том, чтобы изобретать вещи, которые могут принести пользу каждому", - сказал Вонг. «Как сотрудник Penn Stater я вижу, что эта культура усиливается благодаря предпринимательству, и я рад внести свой вклад».
Среди других соавторов статьи из Пенсильванского университета Линь Ван из Департамента материаловедения и инженерии; Хуэй Ли, докторант кафедры биомедицинской инженерии; Марго Корсетти, выпускница факультета машиностроения; и Пак Кин Вонг, профессор биомедицинской инженерии. Среди международных участников работы Росс Тирни, докторант, и профессор Леон Уильямс из Центра конкурентного творческого дизайна Университета Крэнфилда, Великобритания.
Эта работа поддерживается Национальным научным фондом, Профессорством семьи Уормли в начале карьеры и Премией за инициативу в области гуманитарных материалов, которая финансируется Covestro и Институтом исследования материалов.