Siden oppfinnelsen rundt 100 f.Kr. i Kina, har papir som materiale for spredning av informasjon sterkt bidratt til utvikling og spredning av sivilisasjonen. Selv i dagens informasjonsalder, med elektroniske medier allestedsnærværende i hjem, kontorer og til og med lommene våre, spiller papir fortsatt en kritisk rolle.
Hjernen vår behandler informasjon annerledes på papir og på skjerm. Informasjon som presenteres på papiret innebærer mer emosjonell prosessering og gir flere hjerneresponser knyttet til indre følelser. Det kan gjøre trykt materiale mer effektivt og minneverdig enn digitale medier. Selvfølgelig er papir fortsatt i vanlig bruk, og det forventes at det globale forbruket vil vokse.
Men papirbruk har betydelige miljø- og bærekraftsproblemer. I mange år har forskere jobbet for å utvikle lesemedier som har formatet som konvensjonelt papir, men som kan trykkes på nytt uten først å måtte gjenvinnes industrielt. Et lovende alternativ har vært å belegge papir med en tynn film med kjemikalier som endrer farge når de blir utsatt for lys. Men tidligere anstrengelser har opplevd problemer som høye kostnader og høy toksisitet - for ikke å nevne vanskeligheter med å forbli lesbare og slettes for gjenbruk.
Forskergruppen min ved University of California, Riverside, i samarbeid med Wenshou Wang ved Shandong University i Kina, har nylig utviklet et nytt belegg for vanlig papir som ikke trenger blekk, og som kan skrives ut med lys, slettes og gjenbruk mer enn 80 ganger. Belegget kombinerer funksjonene til to typer nanopartikler, partikler 100 000 ganger tynnere enn et stykke papir; den ene partikkelen er i stand til å få energi fra lys og initierer fargeendring av den andre. Dette representerer et viktig skritt mot utvikling av papir som kan skrives ut på nytt.
Miljøeffekter av papir
Rundt 35 prosent av alle høstede trær i verden brukes til å lage papir og papp. På verdensbasis er masse- og papirindustrien den femte største forbruker av energi og bruker mer vann på å produsere massevis av produkter enn noen annen industri.
Massekstraksjon bruker store mengder energi og kan innebære farlige kjemikalier som dioksin. Papirproduksjon resulterer i utslipp av næringsfosfor. Det igjen øker planteveksten, som kan bruke opp alt oksygen i vannet og drepe ethvert dyreliv.
Selv etter at papiret er laget, skader bruken miljøet. Å transportere papir fra det det er laget til der det brukes genererer luftforurensning. Og å lage og bruke blekk og toner, skader også miljøet, ved å forurense vann, forgifte jord og ødelegge naturens naturtyper.
Metoden vår bruker ikke-giftige ingredienser og tillater gjentatt gjenbruk av papir, og reduserer dermed miljøeffekten.
Bytte farger
Når du utvikler et belegg for papir, er det viktig å finne et som er gjennomsiktig, men som kan endre farge til noe synlig og bak. På den måten kan all tekst eller bilder gjøres lesbar som på vanlig papir, men også lett slettes.
Metoden vår kombinerer nanopartikler - partikler mellom 1 og 100 nanometer i størrelse - av to forskjellige materialer som kan endre seg fra klare til synlige og tilbake igjen. Det første materialet er prøyssisk blått, et mye brukt blått pigment som er mest kjent som den blå fargen i arkitektoniske tegninger eller blekk. Preussiske blå nanopartikler virker normalt naturligvis blå, men kan bli fargeløse når de leveres med ekstra elektroner.
Det andre materialet er nanopartikler av titandioksid. Når de blir utsatt for ultrafiolett lys, frigjør de elektronene de prøyssiske blå trenger for å bli fargeløse.
Teknikken vår kombinerer disse to nanopartiklene til et solid belegg på vanlig papir. (Det kan også brukes på andre faste stoffer, inkludert plastark og glassglass.) Når vi lyser ultrafiolett lys på det belagte papiret, produserer titandioksidet elektroner. De prøyssiske blå partiklene plukker opp elektronene og skifter farge fra blå til klare.
Utskriften kan gjøres gjennom en maske, som er et klart plastark som er trykt med bokstaver og mønstre i svart. Papiret begynner helt blått. Når UV-lys passerer gjennom de blanke områdene på masken, endrer det de korresponderende områdene på papiret under til hvitt, og repliserer informasjonen fra masken til papiret. Utskriften går raskt og tar bare noen sekunder å fullføre.
Oppløsningen er veldig høy: Den kan produsere mønstre så små som 10 mikrometer, 10 ganger mindre enn hva øynene våre kan se. Oppgaven vil være lesbar i mer enn fem dager. Lesbarheten vil sakte forringes, da oksygenet i luften tar elektroner fra de prøyssiske blå nanopartiklene og gjør dem tilbake til blå. Utskriften kan også gjøres ved hjelp av en laserstråle, som skanner over papiroverflaten og utsetter områdene som skal være hvite, på en måte som ligner hvordan dagens laserskrivere fungerer.
Det er enkelt å slette en side: Oppvarming av papiret og filmen til omtrent 120 grader Celsius (250 grader Fahrenheit) fremskynder oksidasjonsreaksjonen, og sletter det trykte innholdet fullstendig i løpet av cirka 10 minutter. Denne temperaturen er langt lavere enn temperaturen som papiret antennes på, så det er ingen fare for brann. Det er også lavere enn temperaturen som er involvert i gjeldende laserskrivere, som trenger å nå rundt 200 grader celsius for å øyeblikkelig smelte toneren på papiret.
Forbedret kjemisk stabilitet
Å bruke preussisk blått som en del av denne prosessen gir et betydelig antall fordeler. For det første er den svært kjemisk stabil. Tidligere omskrivbare papirer brukte vanligvis organiske molekyler som de viktigste fargeendringsmaterialene, men de brytes lett ned etter å ha blitt utsatt for UV-lys under utskrift. Som et resultat tillater de ikke så mange sykluser med utskrift og sletting.
Derimot forblir de prøyssiske blå molekylene i det vesentlige intakte selv etter langvarig eksponering for ultrafiolett lys. I vårt laboratorium har vi vært i stand til å skrive og slette et enkelt ark mer enn 80 ganger uten å se noen tilsynelatende endringer i intensiteten på fargen eller hastigheten på bryteren.
I tillegg kan preussisk blått enkelt endres for å produsere forskjellige farger, så blått er ikke det eneste alternativet. Vi kan endre pigmentets kjemiske struktur, erstatte noe av jernet med kobber for å lage et grønt pigment, eller helt erstatte jernet med kobolt for å gjøre brunt. For tiden kan vi skrive ut i bare én farge om gangen.
Når vi videreutvikler denne teknologien, håper vi å gjøre omskrivbart papir tilgjengelig for mange bruksområder for visning av informasjon, spesielt midlertidig bruk som aviser, magasiner og plakater. Andre bruksområder omfatter produksjon, helsehjelp og til og med enkel organisering, for eksempel å lage omskrivbare etiketter.
Det er sannsynligvis ikke mulig å håpe på et helt papirløst samfunn, men vi jobber med å hjelpe folk til å bruke langt mindre papir enn de gjør - og lettere kunne bruke det igjen når de er klare.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Yadong Yin, professor i kjemi, University of California, Riverside.
