便がトイレにくっつかないようにするために、科学者はどのような努力をしてきたのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

トイレを使うと、便器に「残便」が残ってしまうという恥ずかしい思いをすることがあります。何度も水洗ボタンを押しても、残ったうんちがまだトイレの壁に付着しているとき、あなたはこう思うかもしれません。「なぜこの世にうんちがくっつかないトイレはないのだろう？」

実際、この疑問は科学者たちの興味も呼び起こしました。

便がくっつかないトイレがなぜ必要なのでしょうか?

うんちはなぜあんなに粘着質なのでしょうか？

南アフリカのクワズール・ナタール大学のSM・ウーリー氏らは、便の粘度は水分含有量と密接な関係があり、便の水分含有量は食物繊維とタンパク質の摂取によって影響を受けることを発見した。しかし、タンパク質を豊富に含む食品（肉や豆など）や食物繊維を豊富に含む食品（果物、野菜、全粒穀物など）を摂取することは、人間が健康な消化器系を維持するために不可欠であり、人間の食生活において欠かせない位置を占めています。

食生活に大きな変化を加えずに便の粘度を変えるのは簡単ではありません。

タンパク質と食物繊維が豊富な食品は人間の食生活において重要な役割を果たします。

（画像出典：著者）

トイレの「残便」という厄介な問題を解決するために、人々は独特の原理と強力な洗浄力を備えたさまざまなトイレを開発してきました。しかし、これらの強力な水洗トイレの水量が多いため、水の消費量が大幅に増加し、新たな問題が発生しています。

調査データによると、世界では毎日1410億リットル以上の淡水がトイレの水洗に消費されており（アフリカ人口の総水消費量の6倍）、都市部の住民のトイレの水洗用水は国内総水消費量の30～35％を占めています。これら二つの数字は驚異的です。一方、ユネスコと国連水資源機構が共同で発表した2023年国連世界水開発報告書によると、世界では20億から30億人が依然として水不足に直面している。この矛盾した状況により、人々は他の解決策を見つけざるを得なくなります。

科学者たちは、うんちとトイレの奇妙な関係を研究した後、ついに解決策を思いつきました。それは、うんちがくっつかないトイレを設計することです。

便がトイレにくっつかないようにするにはどうすればいいですか?

おそらく、あなたの最初の反応は、非粘着性を実現するには、トイレにコーティング層を追加するだけでよいということであり、科学者もそう考えています。

生物界でよく知られている食虫植物であるウツボカズラの葉は、昆虫を捕らえる瓶型の捕虫器に特化しています。ピッチャーの内壁は多孔質の微細構造を持ち、潤滑液で満たされています。ウツボカズラの蜜腺に誘われて捕虫器に落ちた昆虫は、内壁にしっかりと留まることができず、逃げ出すことが困難になります。この不思議な現象は科学者たちの注目を集めています。

ウツボカズラのケージの内壁はトイレのような形をしている

(画像出典: Wikipedia)

米国ペンシルベニア州立大学のタクシン・ウォン氏のチームは、ウツボカズラからヒントを得て、「超滑りやすいコーティング」、LEES（液体浸透平滑表面）を開発した。

ポリジメチルシロキサンを使用して、便器の表面にナノスケールの「毛」ベースを形成し、その後にシリコンオイル潤滑剤をスプレーするだけです。通常のセラミック便器の表面にLEESコーティングを形成し、滑らかにするのにわずか5分しかかかりません。

科学者たちは、このコーティングを施したトイレの内壁で水、人工混合便、実際の便をテストし、LEESコーティングにより、便などの粘弾性流体の付着が約90％減少し、基本的に「非粘着性」を実現できることを発見しました。

LESSコーティングは水資源の節約にも即効性があります。 「便」の水分含有量に応じて、トイレを流すための水の消費量を50％～90％削減できます。 LEES 層には一定の抗菌効果もあり、臭いの発生をさらに抑えることができます。

LEESコーティングトイレ（左）とコーティングなしトイレ（右）の合成排泄物除去効果の比較

（画像出典：参考文献[3]）

科学者たちは、LESS に基づいて、過去 10 年間このコーティング技術を継続的に改善し、より効果の高いコーティングを開発し、防汚、セルフクリーニング、防氷などの分野で広く使用してきました。

しかし、このコーティング技術にも独自の問題があります。 LESSを例にとると、約500回水を流した後、便器に新しいシリコンオイルコーティングをスプレーする必要があり、また、長期間使用した後にはポリジメチルシロキサンベースも修理する必要があり、修理費用は1回あたり15米ドル（約109人民元）かかります。水が不足している発展途上地域では、このような技術を使うのは面倒でコストがかかりすぎるように思えるかもしれません。

恒久的な解決策はあるのでしょうか?

華中科技大学の蘇斌教授のチームも、ウツボカズラの捕虫ケージの内壁の微細構造からヒントを得て、トイレそのものから始めることにした。プラスチックと特殊な砂を混ぜたものを原料に、通常のトイレの10分の1の大きさのトイレ模型を3Dプリントした。

3D プリントのプロセス中に、レーザーが原材料を焼結しました。焼結は、2 種類の固体を圧縮して結合する化学プロセスであり、重要な点として、固体粒子間に多数の小さな隙間がある多孔質構造を作成します。そのため、潤滑剤は便器の表面全体に蓄えられ、内部まで浸透します。これにより、表面の潤滑油が失われた後も、便器の奥深くから潤滑油を補給することができ、永続的な効果が得られます。

同時に、この多孔質構造により、トイレの耐摩耗性が向上します。サンドペーパーで1,000回以上磨いた後でも、ミニトイレは新品同様に滑らかです。

もちろん、この種のトイレが私たちの生活の一部となるまでには、まだ長い道のりがあります。まずはトイレを実際のサイズで印刷し、製造コストを削減する必要があるからです。

表面を1,000回研磨したミニトイレの底の穴からでも、合成糞便は滑り出してしまう可能性がある。

（ビデオ出典：参考文献[2]）

便はなぜトイレにくっつかないのでしょうか？

化学的なレベルでは、ウツボカズラ、LESS コーティング、ミニトイレの非常に滑りやすい性質はすべて、疎水性と呼ばれる材料特性に由来しています。疎水性材料の表面が水と接触すると、水滴がビーズ状になり、表面を濡らすことが困難になります。

これは、物質の表面上の分子間の相互作用力が、水分子と表面間の力よりも強いためです。同様に、物質の表面上の分子間の相互作用力が水分子と表面間の相互作用力よりも小さい表面は親水性です。

通常、固体表面の親水性または疎水性は、液滴の端と固体表面の間の角度 (接触角) を測定することによって決定されます。水滴が固体表面に完全に広がると接触角は 0° になり、水滴が完全に球形のままであれば接触角は 180° になることは容易にわかります。

親水性、疎水性、超疎水性表面上の水滴の接触角

（画像出典：参考文献[5]）

したがって、接触角が大きいほど、固体の疎水性は高くなります。接触角が 150° を超えると、科学者はこの特性に「超疎水性」という新しい名前を付けます。前述のウツボカズラやコーティングに加えて、自然界では蓮、サトイモ、キャベツなどの植物の葉やモルフォ蝶の羽にもこの特性があり、これはその粗いまたは多孔質の微細構造によって決まります。

蓮の葉（左）とモルフォ蝶の羽（右）はどちらも一般的な疎水性表面です。

(画像出典: Wikipedia)

結論

科学者たちは便がトイレにくっつかないようにするために多くの努力をしてきましたが、解決すべき問題はまだたくさんあります。しかし、材料科学の進歩により、ノンスティックトイレがいつか私たちの日常生活の一部になるだろうと私たちは信じています。

参考文献

[1] Woolley,SM、et al. 「水分含有量の異なる新鮮な人間の排泄物のせん断レオロジー特性」水 sa 40.2 (2014): 273-276。

[2] 李、易、他「選択的レーザー焼結 3D 印刷技術によって製造された、耐摩耗性と滑りやすさを強化した水洗トイレ」先端工学材料（2023）：2300703。

[3] 王静、他「極度の節水と地球規模の衛生管理を実現する粘弾性固体撥水コーティング。」ネイチャーサステナビリティ2.12（2019）：1097-1105。

[4] Kreder、Michael J.、他。 「防氷表面の設計: 滑らか、テクスチャ付き、それとも滑りやすい?」ネイチャーレビューマテリアルズ1.1（2016）：1-15。

[5] Zhang, P.、FY Lv. 「超疎水性表面の最近の進歩と新たなエネルギー関連アプリケーションのレビュー。」エネルギー82（2015）：1068-1087。

[6] 陳、華為、他「Nepenthes alata の縁面における連続的な方向性のある水輸送」ネイチャー532.7597（2016）：85-89。

[7] 王大貴ら「液体状ポリマー潤滑表面：メカニズムと応用」ナノリサーチ（2023年）。