Varje dag, mer än 141 miljarder liter vatten används enbart för att spola toaletter. Med miljontals globala medborgare som upplever vattenbrist, tänk om det beloppet kunde minskas med 50 %?

Möjligheten kan finnas genom forskning utförd vid Penn State, släpptes idag (18 nov) i Naturens hållbarhet .

"Vårt team har utvecklat en robust bioinspirerad, flytande, slam- och bakterieavvisande beläggning som i huvudsak kan göra en toalett självrengörande, " sa Tak-Sing Wong, Wormley Early Career Professor i teknik och docent i maskinteknik och biomedicinsk teknik.

I Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering, inrymt inom Institutionen för maskinteknik och Materialforskningsinstitutet, Forskare har utvecklat en metod som dramatiskt minskar mängden vatten som behövs för att spola en konventionell toalett, som vanligtvis kräver 6 liter.

Samutvecklad av Jing Wang, en doktorand från Wongs labb, den vätskeförankrade släta ytan (LESS) beläggningen är en tvåstegsspray som, bland andra applikationer, kan appliceras på en keramisk toalettskål. Den första sprayen, skapad av molekylärt ympade polymerer, är det första steget i att bygga en extremt slät och vätskeavvisande foundation.

"När det torkar, den första sprayen växer molekyler som ser ut som små hårstrån, med en diameter på ca 1, 000, 000 gånger tunnare än en människas, " sa Wang.

Även om denna första applikation skapar en extremt slät yta som den är, den andra sprayen infunderar ett tunt lager av smörjmedel runt dessa nanoskopiska "hår" för att skapa en superhal yta.

"När vi lägger den beläggningen på en toalett i labbet och häller syntetiskt fekalt material på det, det (det syntetiska fekala ämnet) glider helt och hållet ner och ingenting fastnar på det (toaletten), " sa Wang.

Med denna nya hala yta, toaletterna kan effektivt rengöra rester från insidan av skålen och kassera avfallet med endast en bråkdel av det vatten som tidigare behövdes. Forskarna förutspår också att beläggningen kan hålla i cirka 500 spolningar i en konventionell toalett innan en ny applicering av smörjmedelsskiktet behövs.

Medan andra vätskeinfunderade hala ytor kan ta timmar att härda, den MINDRE tvåstegsbeläggningen tar mindre än fem minuter. Forskarens experiment fann också att ytan effektivt stötte bort bakterier, särskilt de som sprider infektionssjukdomar och obehagliga lukter.

Om det var allmänt antaget i USA, det kan rikta kritiska resurser till andra viktiga aktiviteter, till torkadrabbade områden eller till regioner med kronisk vattenbrist, sa forskarna.

Driven av dessa humanitära lösningar, forskarna hoppas också att deras arbete kan få genomslag i utvecklingsländerna. Tekniken skulle kunna användas inom vattenfria toaletter, som används flitigt runt om i världen.

"Bajs som fastnar på toaletten är inte bara obehagligt för användarna, men det ger också allvarliga hälsoproblem, " sa Wong.

Dock, om en vattenfri toalett eller urinal använde LESS-beläggningen, teamet förutspår att dessa typer av armaturer skulle vara mer tilltalande och säkrare för utbredd användning.

För att ta itu med dessa problem i både USA och runt om i världen, Wong och hans medarbetare, Wang, Birgitt Boschitsch, och Nan Sun, alla alumner inom maskinteknik, startade ett nystartat företag.

Med stöd från Ben Franklin Technology Partners TechCelerator, National Science Foundation, energidepartementet, Office of Naval Research, Rice Business Plan Competition och Y-Combinator, deras företag, fläckfria material, lanserar redan LESS-beläggningen på marknaden.

"Vårt mål är att föra ut effektiv teknik till marknaden så att alla kan dra nytta av det, " sa Wong. "För att maximera effekten av vår beläggningsteknik, vi måste få ut det från labbet."

Ser fram emot, teamet hoppas att spotLESS Materials kommer att spela en roll för att upprätthålla världens vattenresurser och fortsätta att utöka räckvidden för deras teknologi.

"Som forskare i en akademisk miljö, mitt mål är att uppfinna saker som alla kan dra nytta av, " sa Wong. "Som en Penn Stater, Jag ser denna kultur förstärkas genom entreprenörskap, och jag är glad att få bidra."