Sinds zijn uitvinding rond 100 v. Chr. in China, papier als materiaal voor het verspreiden van informatie heeft in hoge mate bijgedragen aan de ontwikkeling en verspreiding van de beschaving. Zelfs in het huidige informatietijdperk met elektronische media alomtegenwoordig in huizen, kantoren en zelfs onze zakken, papier speelt nog steeds een cruciale rol.

Onze hersenen verwerken informatie op papier en op het scherm anders. Informatie die op papier wordt gepresenteerd, vereist meer emotionele verwerking en produceert meer hersenreacties die verband houden met interne gevoelens. Dat kan gedrukt materiaal effectiever en gedenkwaardiger maken dan digitale media. Natuurlijk, papier is nog steeds in gemeenschappelijk gebruik, en de wereldwijde consumptie zal naar verwachting groeien.

Maar papiergebruik brengt aanzienlijke milieu- en duurzaamheidsproblemen met zich mee. Voor vele jaren, wetenschappers hebben gewerkt aan de ontwikkeling van leesmedia die het formaat hebben van conventioneel papier, maar kunnen worden herdrukt zonder dat ze eerst industrieel moeten worden gerecycled. Een veelbelovende optie was om papier te coaten met een dunne laag chemicaliën die van kleur veranderen bij blootstelling aan licht. Maar eerdere inspanningen hebben problemen ondervonden zoals hoge kosten en hoge toxiciteit - om nog maar te zwijgen van de moeilijkheid om zowel leesbaar te blijven als te worden gewist voor hergebruik.

Mijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Californië, rivieroever, in samenwerking met Wenshou Wang aan de Shandong University in China, heeft onlangs een nieuwe coating ontwikkeld voor regulier papier dat geen inkt nodig heeft, en kan bedrukt worden met licht, meer dan 80 keer gewist en hergebruikt. De coating combineert de functies van twee soorten nanodeeltjes, deeltjes 100, 000 keer dunner dan een stuk papier; het ene deeltje is in staat om energie uit licht te halen en initieert de kleurverandering van het andere. Dit is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van herdrukbaar papier.

Milieueffecten van papier

Ongeveer 35 procent van alle geoogste bomen ter wereld wordt gebruikt om papier en karton van te maken. Wereldwijd, de pulp- en papierindustrie is de vijfde grootste verbruiker van energie en gebruikt meer water om een ​​ton product te produceren dan enige andere industrie.

Pulpextractie kost veel energie en kan gevaarlijke chemicaliën zoals dioxine bevatten. De papierproductie leidt tot de uitstoot van de voedingsstof fosfor. Dat, beurtelings, stimuleert de plantengroei, die alle zuurstof in het water kan opgebruiken en elk dierlijk leven kan doden.

Zelfs nadat papier is gemaakt, het gebruik ervan is schadelijk voor het milieu. Vrachtpapier van waar het is gemaakt naar waar het wordt gebruikt, veroorzaakt luchtvervuiling. En het maken en gebruiken van inkt en toner is ook schadelijk voor het milieu, door water te vervuilen, bodem vergiftigen en de natuurlijke habitats van dieren in het wild vernietigen.

Onze methode maakt gebruik van niet-toxische ingrediënten en maakt herhaald hergebruik van papier mogelijk, waardoor de milieueffecten worden verminderd.

Van kleur wisselen

Bij het ontwikkelen van een coating voor papier, het is belangrijk om er een te vinden die transparant is maar van kleur kan veranderen in iets zichtbaars - en terug. Op die manier, elke tekst of afbeelding kan leesbaar worden gemaakt zoals op normaal papier, maar ook gemakkelijk te wissen.

Onze methode combineert nanodeeltjes – deeltjes tussen 1 en 100 nanometer groot – van twee verschillende materialen die kunnen veranderen van helder naar zichtbaar en weer terug. Het eerste materiaal is Pruisisch blauw, een veelgebruikt blauw pigment dat het meest bekend is als de blauwe kleur in bouwkundige blauwdrukken of inkten. Pruisische blauwe nanodeeltjes zien er normaal gesproken blauw uit, natuurlijk, maar kunnen kleurloos worden wanneer ze worden voorzien van extra elektronen.

Het tweede materiaal zijn nanodeeltjes van titaandioxide. Bij blootstelling aan ultraviolet licht, ze laten de elektronen vrij die het Pruisische blauw nodig heeft om kleurloos te worden.

Onze techniek combineert deze twee nanodeeltjes tot een vaste coating op conventioneel papier. (Het kan ook worden toegepast op andere vaste stoffen, inclusief plastic platen en glasplaatjes.) Wanneer we ultraviolet licht op het gecoate papier schijnen, het titaandioxide produceert elektronen. De Pruisische blauwe deeltjes pikken die elektronen op en veranderen van kleur van blauw naar helder.

De bedrukking kan door middel van een masker, dat is een doorzichtig plastic vel bedrukt met letters en patronen in het zwart. Het papier begint helemaal blauw. Wanneer UV-licht door de lege gebieden op het masker gaat, het verandert de corresponderende gebieden op het papier eronder in wit, het repliceren van de informatie van het masker naar het papier. Het printen is snel, duurt slechts een paar seconden om te voltooien.

De resolutie is erg hoog:het kan patronen produceren zo klein als 10 micrometer, 10 keer kleiner dan wat onze ogen kunnen zien. Het papier blijft langer dan vijf dagen leesbaar. De leesbaarheid zal langzaam afnemen, omdat de zuurstof in de lucht elektronen van de Pruisische blauwe nanodeeltjes neemt en ze weer blauw maakt. Het printen kan ook met een laserstraal, die over het papieroppervlak scant en de gebieden blootlegt die wit zouden moeten zijn, op een manier die vergelijkbaar is met hoe de huidige laserprinters werken.

Het wissen van een pagina is eenvoudig:het verwarmen van het papier en de film tot ongeveer 120 graden Celsius (250 graden Fahrenheit) versnelt de oxidatiereactie, de afgedrukte inhoud binnen ongeveer 10 minuten volledig wissen. Deze temperatuur is veel lager dan de temperatuur waarbij papier ontbrandt, er is dus geen brandgevaar. Het is ook lager dan de temperatuur van de huidige laserprinters, die ongeveer 200 graden Celsius (392 graden Fahrenheit) moeten bereiken om de toner onmiddellijk op het papier te laten smelten.

Verbeterde chemische stabiliteit

Het gebruik van Pruisisch blauw als onderdeel van dit proces biedt een groot aantal voordelen. Eerst, het is zeer chemisch stabiel. Eerdere herschrijfbare papieren gebruikten meestal organische moleculen als de belangrijkste kleurveranderingsmaterialen, maar ze breken gemakkelijk af na blootstelling aan UV-licht tijdens het printen. Als resultaat, ze laten niet veel cycli van afdrukken en wissen toe.

Daarentegen, Pruisische blauwe moleculen blijven in wezen intact, zelfs na langdurige blootstelling aan ultraviolet licht. In ons laboratorium, we hebben een enkel vel meer dan 80 keer kunnen schrijven en wissen zonder enige duidelijke verandering in de intensiteit van de kleur of de snelheid van de schakelaar waar te nemen.

In aanvulling, Pruisisch blauw kan eenvoudig worden aangepast om verschillende kleuren te produceren, dus blauw is niet de enige optie. We kunnen de chemische structuur van het pigment veranderen, een deel van zijn ijzer vervangen door koper om een ​​groen pigment te maken, of het ijzer volledig vervangen door kobalt om bruin te maken. Momenteel, we kunnen slechts in één kleur tegelijk afdrukken.

Naarmate we deze technologie verder ontwikkelen, we hopen herschrijfbaar papier beschikbaar te maken voor vele toepassingen voor het weergeven van informatie, vooral tijdelijk gebruik zoals kranten, tijdschriften en affiches. Andere toepassingen strekken zich uit tot productie, gezondheidszorg en zelfs eenvoudig organiseren, zoals het maken van herschrijfbare labels.

Het is waarschijnlijk niet haalbaar om te hopen op een volledig papierloze samenleving, maar we werken eraan om mensen te helpen veel minder papier te gebruiken dan zij doen - en het gemakkelijker opnieuw te gebruiken als ze er klaar voor zijn.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.