Sedan dess uppfinning omkring 100 f.Kr. i Kina, papper som material för att sprida information har i hög grad bidragit till civilisationens utveckling och spridning. Även i dagens informationsålder, med elektroniska medier som finns överallt i hemmet, kontor och till och med våra fickor, papper spelar fortfarande en avgörande roll.

Våra hjärnor bearbetar information på olika sätt på papper och på skärmen. Information som presenteras på papper involverar mer känslomässig bearbetning och producerar fler hjärnreaktioner kopplade till inre känslor. Det kan göra tryckt material mer effektivt och mer minnesvärt än digitala medier. Självklart, papper är fortfarande vanligt förekommande, och den globala konsumtionen förväntas växa.

Men pappersanvändning kommer med betydande miljö- och hållbarhetsproblem. Under många år, forskare har arbetat med att utveckla läsmedier som har formatet konventionellt papper men som kan tryckas om utan att först behöva återvinnas industriellt. Ett lovande alternativ har varit att bestryka papper med en tunn film av kemikalier som ändrar färg när de utsätts för ljus. Men tidigare ansträngningar har stött på problem som höga kostnader och hög toxicitet – för att inte tala om svårigheter att både förbli läsbara och raderas för återanvändning.

Min forskargrupp vid University of California, Riverside, i samarbete med Wenshou Wang vid Shandong University i Kina, har nyligen utvecklat en ny beläggning för vanligt papper som inte behöver bläck, och kan tryckas på med ljus, raderas och återanvänds mer än 80 gånger. Beläggningen kombinerar funktionerna hos två typer av nanopartiklar, partiklar 100, 000 gånger tunnare än ett papper; en partikel kan få energi från ljus och initierar färgförändring av den andra. Detta är ett viktigt steg mot utvecklingen av omtryckbart papper.

Miljöeffekter av papper

Cirka 35 procent av alla skördade träd i världen används för att tillverka papper och kartong. Över hela världen, massa- och pappersindustrin är den femte största konsumenten av energi och använder mer vatten för att producera ett ton produkt än någon annan industri.

Massutvinning förbrukar stora mängder energi och kan involvera farliga kemikalier som dioxin. Pappersproduktion leder till utsläpp av näringsämnet fosfor. Den där, i tur och ordning, ökar växternas tillväxt, som kan använda allt syre i vattnet och döda alla djurliv.

Även efter att papper är gjort, dess användning skadar miljön. Att transportera papper från var det tillverkas till där det används genererar luftföroreningar. Och att tillverka och använda bläck och toner skadar också miljön, genom att förorena vatten, förgifta jord och förstöra vilda djurs naturliga livsmiljöer.

Vår metod använder giftfria ingredienser och tillåter upprepad återanvändning av papper, vilket minskar miljöeffekterna.

Byta färg

Vid utveckling av en beläggning för papper, det är viktigt att hitta en som är transparent men kan ändra färg till något synligt - och tillbaka. På det sättet, vilken text eller alla bilder som helst kan göras läsbara som på vanligt papper, men också lätt att radera.

Vår metod kombinerar nanopartiklar – partiklar mellan 1 och 100 nanometer stora – av två olika material som kan förändras från klara till synliga och tillbaka igen. Det första materialet är preussiskt blått, ett allmänt använt blått pigment som är mest känt som den blå färgen i arkitektoniska ritningar eller bläck. Preussiska blå nanopartiklar ser normalt ut som blå, självklart, men kan bli färglösa när de tillförs ytterligare elektroner.

Det andra materialet är nanopartiklar av titandioxid. När den utsätts för ultraviolett ljus, de släpper de elektroner som den preussiska blå behöver för att bli färglösa.

Vår teknik kombinerar dessa två nanopartiklar till en solid beläggning på konventionellt papper. (Det kan även appliceras på andra fasta ämnen, inklusive plastark och glasskiva.) När vi lyser ultraviolett ljus på det bestrukna papperet, titandioxid producerar elektroner. De preussiska blå partiklarna plockar upp dessa elektroner och ändrar färg från blå till klar.

Utskriften kan göras med en mask, vilket är ett genomskinligt plastark tryckt med bokstäver och mönster i svart. Tidningen börjar helt blå. När UV-ljus passerar genom de tomma områdena på masken, det ändrar motsvarande områden på papperet under till vitt, replikera informationen från masken till papperet. Utskriften går snabbt, tar bara några sekunder att slutföra.

Upplösningen är mycket hög:den kan producera mönster så små som 10 mikrometer, 10 gånger mindre än vad våra ögon kan se. Tidningen kommer att vara läsbar i mer än fem dagar. Dess läsbarhet försämras sakta, eftersom syret i luften tar elektroner från de preussiska blå nanopartiklarna och gör dem tillbaka till blått. Utskriften kan också göras med en laserstråle, som skannar över pappersytan och exponerar de områden som ska vara vita, på ett sätt som liknar hur dagens laserskrivare fungerar.

Det är enkelt att radera en sida:Uppvärmning av papper och film till cirka 120 grader Celsius (250 grader Fahrenheit) påskyndar oxidationsreaktionen, radera det tryckta innehållet helt inom cirka 10 minuter. Denna temperatur är mycket lägre än den temperatur vid vilken papper antänds, så det är ingen brandfara. Det är också lägre än temperaturen som ingår i nuvarande laserskrivare, som behöver nå cirka 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit) för att omedelbart smälta samman tonern på papperet.

Förbättrad kemisk stabilitet

Att använda preussiskt blått som en del av denna process erbjuder ett betydande antal fördelar. Först, den är mycket kemiskt stabil. Tidigare omskrivbara papper använde vanligtvis organiska molekyler som de viktigaste färgförändringsmaterialen, men de bryts lätt ner efter att de utsatts för UV -ljus under utskrift. Som ett resultat, de tillåter inte särskilt många cykler av utskrift och radering.

Däremot Preussiska blå molekyler förblir i huvudsak intakta även efter långvarig exponering för ultraviolett ljus. I vårt labb, vi har kunnat skriva och radera ett enda ark mer än 80 gånger utan att observera några uppenbara förändringar av färgens intensitet eller omkopplarens hastighet.

Dessutom, Preussiskt blått kan enkelt modifieras för att producera olika färger, så blått är inte det enda alternativet. Vi kan ändra pigmentets kemiska struktur, ersätta en del av dess järn med koppar för att göra ett grönt pigment, eller helt ersätta järnet med kobolt för att göra det brunt. För närvarande, vi kan bara skriva ut i en färg i taget.

När vi utvecklar denna teknik vidare, vi hoppas kunna göra omskrivbart papper tillgängligt för många användningsområden för att visa information, speciellt tillfällig användning som tidningar, tidningar och affischer. Andra användningsområden sträcker sig till tillverkning, hälsovård och till och med enkel organisering, som att göra omskrivbara etiketter.

Det är nog inte möjligt att hoppas på ett helt papperslöst samhälle, men vi arbetar på att hjälpa människor att använda mycket mindre papper än de gör – och lättare återanvända det när de är redo.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.