Siden opfindelsen omkring 100 f.Kr. i Kina har papir som materiale til spredning af oplysninger i høj grad bidraget til udviklingen og spredningen af civilisationen. Selv i nutidens informationsalder, med elektroniske medier allestedsnærværende i hjem, kontorer og endda vores lommer, spiller papir stadig en kritisk rolle.
Vores hjerner behandler oplysninger forskelligt på papir og på skærmen. Oplysninger, der præsenteres på papiret involverer mere følelsesmæssig behandling og producerer flere hjerneresponser forbundet med interne følelser. Det kan gøre trykt materiale mere effektivt og mere mindeværdigt end digitale medier. Naturligvis er papir stadig i almindelig brug, og det globale forbrug forventes at vokse.
Men papirbrug har betydelige miljø- og bæredygtighedsproblemer. I mange år har forskere arbejdet med at udvikle læsemedier, der har formatet som konventionelt papir, men som kan genoptrykkes uden først at skulle genbruges industrielt. En lovende mulighed har været at beklæde papir med en tynd film med kemikalier, der ændrer farve, når de udsættes for lys. Men tidligere anstrengelser har været stødt på problemer som høje omkostninger og høj toksicitet - for ikke at nævne vanskeligheder med at forblive læsbare og slettes til genbrug.
Min forskningsgruppe ved University of California, Riverside, i samarbejde med Wenshou Wang ved Shandong University i Kina, har for nylig udviklet en ny coating til almindeligt papir, der ikke behøver blæk, og kan udskrives på med lys, slettes og genbruges mere end 80 gange. Belægningen kombinerer funktionerne af to typer nanopartikler, partikler 100.000 gange tyndere end et stykke papir; den ene partikel er i stand til at få energi fra lys og initierer farveændring af den anden. Dette repræsenterer et vigtigt skridt i retning af udviklingen af genudskriveligt papir.
Miljøeffekter af papir
Cirka 35 procent af alle høstede træer i verden bruges til at fremstille papir og pap. På verdensplan er papirmasse- og papirindustrien den femte største forbruger af energi og bruger mere vand til at producere et ton produkt end nogen anden industri.
Masseekstraktion bruger store mængder energi og kan involvere farlige kemikalier som dioxin. Papirproduktion resulterer i emission af næringsstofphosphor. Det øger igen plantevæksten, som kan bruge alt ilt i vandet og dræbe ethvert dyreliv.
Selv efter at der er lavet papir, skader dets anvendelse miljøet. Trucking papir fra hvor det er lavet til hvor det bruges genererer luftforurening. Og at fremstille og bruge blæk og toner skader også miljøet ved at forurene vand, forgifte jord og ødelægge de naturlige levesteder i vilde dyr.
Vores metode bruger ikke-giftige ingredienser og tillader gentagen brug af papir, hvilket reducerer miljøeffekten.
Skift farver
Når du udvikler en belægning til papir, er det vigtigt at finde en, der er gennemsigtig, men som kan ændre farve til noget synligt og tilbage. På den måde kan enhver tekst eller billeder gøres læsbar som på almindeligt papir, men også let slettes.
Vores metode kombinerer nanopartikler - partikler mellem 1 og 100 nanometer i størrelse - af to forskellige materialer, der kan ændre sig fra klart til synligt og tilbage igen. Det første materiale er Preussen blå, et vidt brugt blåt pigment, der er mest kendt som den blå farve i arkitektoniske tegninger eller trykfarver. Preussiske blå nanopartikler ser normalt naturligvis blå ud, men kan blive farveløse, når de leveres med yderligere elektroner.
Det andet materiale er nanopartikler af titandioxid. Når de udsættes for ultraviolet lys, frigiver de de elektroner, som det preussiske blåt har brug for for at blive farveløse.
Vores teknik kombinerer disse to nanopartikler til en solid coating på konventionelt papir. (Det kan også påføres andre faste stoffer, inklusive plastplader og glasglas). Når vi skinner ultraviolet lys på det overtrukne papir, producerer titandioxid elektroner. De prøyssiske blå partikler henter disse elektroner og skifter farve fra blå til klar.
Udskrivningen kan udføres gennem en maske, som er et klart plastikark trykt med bogstaver og mønstre i sort. Papiret starter helt blåt. Når UV-lys passerer gennem de tomme områder på masken, ændrer det de tilsvarende områder på papiret nedenunder til hvidt, hvilket gentager informationen fra masken til papiret. Udskrivningen er hurtig, og det tager kun et par sekunder at gennemføre.
Opløsningen er meget høj: Den kan producere mønstre så små som 10 mikrometer, 10 gange mindre end hvad vores øjne kan se. Papiret forbliver læseligt i mere end fem dage. Dets læsbarhed vil langsomt nedbrydes, da iltet i luften tager elektroner fra de prøyssiske blå nanopartikler og vender dem tilbage til blåt. Udskrivningen kan også udføres ved hjælp af en laserstråle, der scanner over papiroverfladen og udsætter de områder, der skal være hvide, på en måde svarende til, hvordan dagens laserprintere fungerer.
Det er nemt at slette en side: Opvarmning af papiret og filmen til ca. 120 grader Celsius (250 grader Fahrenheit) fremskynder oxidationsreaktionen og sletter det trykte indhold helt inden for ca. 10 minutter. Denne temperatur er langt lavere end den temperatur, hvorpå papir antændes, så der er ingen fare for brand. Det er også lavere end temperaturen, der er involveret i aktuelle laserprintere, som har behov for at nå op på 200 grader celsius (392 grader Fahrenheit) for øjeblikkeligt at smelte toneren på papiret.
Forbedret kemisk stabilitet
Brug af preussisk blåt som en del af denne proces giver et betydeligt antal fordele. For det første er den meget kemisk stabil. Tidligere omskrivbare papirer anvendte normalt organiske molekyler som de vigtigste farveændringsmaterialer, men de nedbrydes let efter at have været udsat for UV-lys under udskrivning. Som et resultat tillader de ikke så mange cykler at udskrive og slette.
Derimod forbliver de preussiske blå molekyler i det væsentlige intakte, selv efter langvarig eksponering for ultraviolet lys. I vores laboratorium har vi været i stand til at skrive og slette et enkelt ark mere end 80 gange uden at observere nogen åbenbare ændringer i intensiteten af farven eller hastigheden på switch.
Derudover kan preussisk blåt let ændres til at producere forskellige farver, så blå er ikke den eneste mulighed. Vi kan ændre pigmentets kemiske struktur ved at erstatte noget af dets jern med kobber for at fremstille et grønt pigment eller helt erstatte jernet med kobolt for at blive brunt. På nuværende tidspunkt kan vi kun udskrive i en farve ad gangen.
Når vi udvikler denne teknologi yderligere, håber vi at gøre omskrivbart papir tilgængeligt til mange anvendelsesformål til visning af information, især midlertidig brug som aviser, magasiner og plakater. Andre anvendelsesområder omfatter produktion, sundhedspleje og endda enkel organisering, såsom fremstilling af omskrivbare etiketter.
Det er sandsynligvis ikke muligt at håbe på et helt papirløst samfund, men vi arbejder på at hjælpe folk med at bruge langt mindre papir end de gør - og lettere genbruge det, når de er klar.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Yadong Yin, professor i kemi, University of California, Riverside.
