Ett team av finska forskare har hittat ett nytt sätt att undersöka den uråldriga konsten att sätta bläck på papper i oöverträffad 3D-detaljer. Tekniken kan förbättra forskarnas förståelse för hur bläck fastnar på papper och i slutändan leda till högre kvalitet, billigare och mer miljövänliga tryckta produkter.

Genom att använda modern röntgen- och laserbaserad teknik, forskarna skapade en karta i nanoskala över tonerbläckets varierande tjocklek på papper. De upptäckte att träfibrer som sticker ut från papperet fick relativt tunna beläggningar av bläck. I allmänhet, de fann också att tonertjockleken främst dikterades av de lokala förändringarna i grovhet, snarare än de kemiska variationer som orsakas av papperets ojämna glansiga finish.

Teamet beskriver sina resultat i en artikel publicerad i Journal of Applied Physics .

"Vi tror att detta ger ny insikt, särskilt om hur pappers topografi påverkar bläckinställningen eller konsolideringen, sa Markko Myllys, tillämpad fysiker vid universitetet i Jyväskylä i Finland. "Detta i sin tur hjälper oss att förstå hur blanka och icke-blanka tryckta ytor ska göras."

Intrikata bläck- och pappersmikrostrukturer

För att få en detaljerad bild av bläcktjockleken, forskarna undersökte först det underliggande papperet med röntgenmikrotomografi, en mindre kusin till CT-skanningstekniken som används på sjukhus för att producera bilder av kroppens insida.

För att analysera lagren av cyan bläck, forskarna använde två ytterligare tekniker:optisk profilometri, som studsade en ljusstråle från ytan av bläcket för att få en ytprofil, och laserablation, som zappade bort kontrollerade mängder bläck med en laser för att bestämma bläckdjupet.

Även om ingen av bildteknikerna i sig är nya, forskarna var de första att kombinera alla tre för att uppnå en komplett, högupplöst 3D-bild av de invecklade bläck- och pappersmikrostrukturerna.

De sista bilderna liknar ett robust bergslandskap, där de högre topparna i allmänhet visar tunnare beläggningar av bläck, och dalarna visar tjockare pooler.

Forskarna fann att det typiska bläckskiktet var cirka 2,5 mikrometer djupt, ungefär 1/40 av tjockleken på ett genomsnittligt pappersark, men med relativt stora rumsliga variationer mellan de tjockaste och tunnaste områdena.

Att veta hur topografiska variationer påverkar bläcktjockleken kommer att hjälpa tryckeriindustrin att skapa mer miljövänligt och mindre energikrävande bläck och optimera storleksfördelningen av bläckpartiklar, sa Myllys. Det kan också hjälpa pappersindustrin att designa mer hållbart papper och förpackningar, till exempel från återvunna komponenter, samtidigt som den behåller den kvalitet som behövs för att bläcket ska fästa bra. Dessutom, papperstillverkningsindustrin skulle kunna använda resultaten för att bestämma hur smarta och nya funktioner bäst ska integreras i papper, sa Myllys.

Teamet tror att de avbildningsmetoder de använde också kan anpassas för att effektivt analysera tjockleksvariationerna i andra typer av tunna filmer, inklusive de som finns i mikroelektronik, slitstarka beläggningar och solpaneler.

"Detta resultat kan verkligen generaliseras, och det gör det faktiskt ganska intressant, ", sa Myllys. "Tjockleksvariationer av tunna filmer är avgörande i många applikationer, men 3D-analysen har varit mycket svår eller omöjlig fram till nu."