Siitä lähtien kun keksintö oli noin 100 eKr. Kiinassa, paperi tiedon levitysmateriaalina on vaikuttanut suuresti sivilisaation kehitykseen ja leviämiseen. Jo nykypäivän tietokaudella, kun sähköinen media on läsnä kotona, toimistossa ja jopa taskuissamme, paperilla on edelleen kriittinen rooli.
Aivomme käsittelevät tietoja eri tavalla paperilla ja näytöllä. Paperille esitetyssä tiedossa on enemmän emotionaalista käsittelyä ja se tuottaa enemmän aivojen vastauksia, jotka liittyvät sisäisiin tunteisiin. Se voi tehdä painetusta materiaalista tehokkaampaa ja mieleenpainuvampaa kuin digitaalinen media. Tietysti paperi on edelleen yleisesti käytössä, ja globaalin kulutuksen odotetaan kasvavan.
Mutta paperin käyttöön liittyy merkittäviä ympäristö- ja kestävyysongelmia. Useiden vuosien ajan tutkijat ovat kehittäneet lukuvälineitä, jotka ovat tavanomaisen paperin muotoisia, mutta jotka voidaan tulostaa uudelleen ilman, että niitä olisi ensin kierrätettävä teollisesti. Yksi lupaava vaihtoehto on ollut päällystää paperi ohuella kemikaalikalvolla, joka muuttaa väriä valolle altistettuna. Mutta aikaisemmissa pyrkimyksissä on havaittu ongelmia, kuten korkeat kustannukset ja korkea myrkyllisyys - puhumattakaan vaikeuksista, jotka ovat sekä luettavissa että uudelleenkäyttöön poistettuja.
Tutkimusryhmäni Kalifornian yliopistossa Riversidessa on yhteistyössä Wenshou Wangin kanssa Shandongin yliopistossa Kiinassa äskettäin kehittänyt uuden tavalliselle paperille tarkoitetun päällysteen, joka ei vaadi mustetta ja joka voidaan tulostaa valolla, poistaa tai käyttää uudelleen yli 80 ajat. Päällyste yhdistää kahden tyyppisten nanohiukkasten toiminnot, hiukkaset ovat 100 000 kertaa ohuempia kuin pala paperille; Yksi hiukkasista voi saada energiaa valosta ja aloittaa toisen värinmuutoksen. Tämä on tärkeä askel kohti uudelleentulostettavan paperin kehittämistä.
Paperin ympäristövaikutukset
Noin 35 prosenttia maailman korjatusta puusta käytetään paperin ja pahvin valmistukseen. Massa- ja paperiteollisuus on maailmanlaajuisesti viidenneksi suurin energian kuluttaja ja käyttää enemmän vettä tonnituotteen tuottamiseen kuin mikään muu teollisuus.
Sellun uutto kuluttaa paljon energiaa ja voi sisältää vaarallisia kemikaaleja, kuten dioksiinia. Paperintuotanto johtaa ravinnefosforin päästöihin. Se puolestaan lisää kasvien kasvua, mikä voi käyttää kaiken veden hapen ja tappaa eläimen.
Jopa paperin valmistuksen jälkeen sen käyttö vahingoittaa ympäristöä. Kuljetuspaperi sinne, missä se on valmistettu, siihen, missä sitä käytetään, aiheuttaa ilman pilaantumista. Musteen ja väriaineen valmistus ja käyttö vahingoittaa myös ympäristöä saastuttamalla vettä, myrkyttämällä maaperää ja tuhoamalla villieläinten luontotyypit.
Menetelmämme käyttää myrkyttömiä aineosia ja sallii paperin uudelleenkäytön vähentäen siten ympäristövaikutuksia.
Värien vaihtaminen
Kehitettäessä paperin päällystettä on tärkeää löytää sellainen, joka on läpinäkyvä, mutta voi muuttaa värin näkyväksi ja takaisin. Tällä tavalla mikä tahansa teksti tai kuvat voidaan tehdä luettaviksi kuten tavalliselle paperille, mutta myös helposti poistaa.
Menetelmämme yhdistää nanohiukkaset - hiukkaset, joiden koko on 1–100 nanometriä - kaksi erilaista materiaalia, jotka voivat muuttua kirkkaasta näkyväksi ja takaisin. Ensimmäinen materiaali on Preussin sininen, yleisesti käytetty sininen pigmentti, joka tunnetaan parhaiten sinisenä värinä arkkitehtonisissa piirustuksissa tai musteissa. Preussin siniset nanohiukkaset näyttävät normaalisti sinisiltä, mutta voivat muuttua värittömiksi, kun niille toimitetaan lisäelektroneja.
Toinen materiaali on titaanidioksidin nanohiukkasia. Altistuessaan ultraviolettivaloon ne vapauttavat elektronit, joiden Preussin sininen tarvitsee muuttua värittömiksi.
Tekniikkamme yhdistää nämä kaksi nanohiukkasta kiinteäksi päällysteeksi tavanomaiselle paperille. (Sitä voidaan käyttää myös muihin kiinteisiin aineisiin, mukaan lukien muovilevyt ja lasilevyt.) Kun loistamme ultraviolettivaloa päällystetylle paperille, titaanidioksidi tuottaa elektroneja. Preussin siniset hiukkaset poimivat nämä elektronit ja vaihtavat värin sinisestä kirkkaaksi.
Tulostaminen voidaan tehdä naamion kautta, joka on kirkas muovilevy, jossa on mustalla kirjeet ja kuviot. Paperi alkaa täysin siniseltä. Kun UV-valo kulkee naamion tyhjien alueiden läpi, se muuttaa vastaavat alapuolella olevan paperin alueet valkoisiksi, toistaen tiedot maskista paperille. Tulostus on nopeaa, ja kestää vain muutaman sekunnin.
Resoluutio on erittäin korkea: Se voi tuottaa jopa 10 mikrometriä kuvioita, 10 kertaa pienempi kuin mitä silmämme näkevät. Paperi pysyy luettavana yli viiden päivän ajan. Sen luettavuus heikkenee hitaasti, koska ilman happi ottaa elektronit Preussin sinisiltä nanohiukkasilta ja muuttaa ne takaisin siniseksi. Tulostaminen voidaan suorittaa myös lasersäteellä, joka skannaa paperin pinnan yli ja paljastaa alueet, joiden pitäisi olla valkoisia, samalla tavalla kuin nykypäivän lasertulostimet toimivat.
Sivun poistaminen on helppoa: Kuumentamalla paperi ja kalvo noin 120 celsiusasteeseen (250 astetta Fahrenheit) nopeuttaa hapettumisreaktiota ja poistaa tulostetun sisällön kokonaan noin 10 minuutissa. Tämä lämpötila on paljon alempi kuin lämpötila, jossa paperi syttyy, joten palovaaraa ei ole. Lämpötila on myös alhaisempi kuin nykyisten lasertulostimien lämpötila. Niiden on saavutettava noin 200 celsiusastetta (392 Fahrenheit-astetta) väriaineen sulamiseksi heti paperille.
Parempi kemiallinen stabiilisuus
Preussin sininen käyttö osana tätä prosessia tarjoaa merkittävän määrän etuja. Ensinnäkin se on erittäin kemiallisesti vakaa. Aikaisemmissa uudelleenkirjoitettavissa papereissa käytettiin yleensä orgaanisia molekyylejä päävärinmuutosmateriaaleina, mutta ne hajoavat helposti sen jälkeen, kun ne on altistettu UV-valolle tulostuksen aikana. Seurauksena on, että ne eivät salli kovin monta tulostus- ja poistojaksoa.
Sitä vastoin Preussin siniset molekyylit pysyvät olennaisesti ehjinä jopa pitkäaikaisen altistumisen jälkeen ultraviolettivalolle. Laboratoriossamme olemme pystyneet kirjoittamaan ja poistamaan yhden arkin yli 80 kertaa, havaitsemmatta mitään näkyviä muutoksia värin voimakkuudessa tai kytkimen nopeudessa.
Lisäksi Preussin sinistä voi helposti muokata tuottamaan erilaisia värejä, joten sininen ei ole ainoa vaihtoehto. Voimme muuttaa pigmentin kemiallista rakennetta korvaamalla osan raudasta kuparilla vihreän pigmentin aikaansaamiseksi tai korvaamalla raudan kokonaan koboltilla ruskeaksi. Tällä hetkellä pystymme tulostamaan vain yhdellä värillä kerrallaan.
Kehittäessämme tätä tekniikkaa edelleen, toivomme saattavan uudelleenkirjoitettavan paperin saataville monenlaiseen tietojen näyttämiseen, erityisesti väliaikaiseen käyttöön, kuten sanomalehdet, lehdet ja julisteet. Muita käyttötarkoituksia ovat valmistus, terveydenhuolto ja jopa yksinkertainen organisointi, kuten uudelleenkirjoitettavien etikettien tekeminen.
Täysin paperitonta yhteiskuntaa ei todennäköisesti voida toivoa, mutta pyrimme auttamaan ihmisiä käyttämään paljon vähemmän paperia kuin he - ja käyttämään sitä helpommin uudelleen, kun he ovat valmiita.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Yadong Yin, kemian professori, Kalifornian yliopisto, Riverside.
