Со времени своего изобретения около 100 г. до н.э. в Китае бумага как материал для распространения информации внесла значительный вклад в развитие и распространение цивилизации. Даже в современную информационную эпоху, когда электронные СМИ вездесущи в домах, офисах и даже в наших карманах, бумага все еще играет важную роль.
Наш мозг по-разному обрабатывает информацию на бумаге и на экране. Информация, представленная на бумаге, включает в себя больше эмоциональной обработки и вызывает больше реакций мозга, связанных с внутренними чувствами. Это может сделать печатный материал более эффективным и запоминающимся, чем цифровые носители. Конечно, бумага все еще широко используется, и ожидается, что мировое потребление будет расти.
Но использование бумаги сопряжено со значительными проблемами для окружающей среды и устойчивости. В течение многих лет ученые работали над созданием носителей для чтения, которые имеют формат обычной бумаги, но могут быть перепечатаны без предварительной промышленной переработки. Одним из многообещающих вариантов было покрытие бумаги тонкой пленкой химических веществ, которые меняют цвет при воздействии света. Но предыдущие попытки столкнулись с такими проблемами, как высокая стоимость и высокая токсичность - не говоря уже о трудностях, которые остаются читабельными и стираются для повторного использования.
Моя исследовательская группа в Университете Калифорнии, Риверсайд, в сотрудничестве с Вэньшоу Ваном из Университета Шаньдун в Китае, недавно разработала новое покрытие для обычной бумаги, которое не требует чернил и может быть напечатано светом, стерто и использовано более 80 раз. раз. Покрытие сочетает в себе функции двух типов наночастиц, частицы которых в 100 000 раз тоньше, чем кусок бумаги; одна частица способна получать энергию от света и инициирует изменение цвета другой. Это представляет собой важный шаг на пути к созданию перестраиваемой бумаги.
Экологические эффекты бумаги
Около 35 процентов всех собираемых деревьев в мире используются для изготовления бумаги и картона. Во всем мире целлюлозно-бумажная промышленность является пятым по величине потребителем энергии и использует больше воды для производства тонны продукции, чем любая другая отрасль.
Экстракция целлюлозы потребляет большое количество энергии и может включать опасные химические вещества, такие как диоксин. Производство бумаги приводит к выбросу питательного фосфора. Это, в свою очередь, способствует росту растений, которые могут израсходовать весь кислород в воде и убить жизнь любого животного.
Даже после изготовления бумаги ее использование наносит вред окружающей среде. Бумага для перевозки грузов оттуда, где она производится, туда, где она используется, вызывает загрязнение воздуха. А изготовление и использование чернил и тонера также наносит вред окружающей среде, загрязняя воду, отравляя почву и разрушая естественную среду обитания диких животных.
Наш метод использует нетоксичные ингредиенты и позволяет многократно использовать бумагу, тем самым уменьшая воздействие на окружающую среду.
Переключение цветов
При разработке покрытия для бумаги важно найти то, которое будет прозрачным, но может изменить цвет на что-то видимое - и обратно. Таким образом, любой текст или изображения можно сделать читаемыми, как на обычной бумаге, но также легко стереть.
Наш метод объединяет наночастицы - частицы размером от 1 до 100 нанометров - из двух разных материалов, которые могут меняться от прозрачного к видимому и обратно. Первый материал - прусский синий, широко используемый синий пигмент, наиболее известный как синий цвет в архитектурных чертежах или чернилах. Прусские голубые наночастицы обычно кажутся голубыми, но могут становиться бесцветными, когда на них добавляются дополнительные электроны.
Вторым материалом являются наночастицы диоксида титана. При воздействии ультрафиолетового света они высвобождают электроны, необходимые прусскому голубому цвету, чтобы стать бесцветным
Наша методика объединяет эти две наночастицы в твердое покрытие на обычной бумаге. (Это также может быть применено к другим твердым веществам, включая пластиковые листы и стеклянные стекла). Когда мы освещаем ультрафиолетовый свет на бумаге с покрытием, диоксид титана производит электроны. Прусские синие частицы улавливают эти электроны и меняют цвет с синего на прозрачный.
Печать может быть выполнена через маску, представляющую собой прозрачный пластиковый лист, напечатанный буквами и узорами черного цвета. Бумага начинается полностью синим. Когда ультрафиолетовый свет проходит через пустые области на маске, он меняет соответствующие области на бумаге внизу на белый, копируя информацию из маски на бумагу. Печать выполняется быстро и занимает всего несколько секунд.
Разрешение очень высокое: оно может создавать узоры размером до 10 микрометров, что в 10 раз меньше, чем могут видеть наши глаза. Бумага будет читаться более пяти дней. Его читаемость будет медленно ухудшаться, так как кислород в воздухе забирает электроны из прусских голубых наночастиц и превращает их обратно в синий. Печать также можно выполнить с помощью лазерного луча, который сканирует поверхность бумаги и выявляет области, которые должны быть белыми, аналогично тому, как работают современные лазерные принтеры.
Стирать страницу легко: нагрев бумаги и пленки до температуры около 120 градусов по Цельсию (250 градусов по Фаренгейту) ускоряет реакцию окисления, полностью стирая отпечатанное содержимое в течение примерно 10 минут. Эта температура намного ниже, чем температура, при которой бумага воспламеняется, поэтому нет опасности возгорания. Это также ниже, чем температура, используемая в современных лазерных принтерах, которые должны достигать примерно 200 градусов по Цельсию (392 градуса по Фаренгейту), чтобы мгновенно расплавить тонер на бумаге.
Улучшенная химическая стабильность
Использование прусского синего в качестве части этого процесса предлагает значительное количество преимуществ. Во-первых, он очень химически стабилен. В предыдущих перезаписываемых бумагах обычно использовались органические молекулы в качестве основных материалов, меняющих цвет, но они легко разрушаются после воздействия ультрафиолета во время печати. В результате они не допускают очень много циклов печати и стирания.
Напротив, молекулы прусского голубого остаются практически нетронутыми даже после длительного воздействия ультрафиолетового света. В нашей лаборатории мы смогли написать и стереть один лист более 80 раз, не наблюдая каких-либо видимых изменений в интенсивности цвета или скорости переключения.
Кроме того, прусский синий можно легко модифицировать для получения разных цветов, поэтому синий не единственный вариант. Мы можем изменить химическую структуру пигмента, заменив часть его железа медью, чтобы получить зеленый пигмент, или полностью заменив железо кобальтом, чтобы сделать коричневый. В настоящее время мы можем печатать только одним цветом за раз.
По мере дальнейшего развития этой технологии мы надеемся сделать перезаписываемую бумагу доступной для многих видов отображения информации, особенно для временного использования, таких как газеты, журналы и плакаты. Другое использование распространяется на производство, здравоохранение и даже простую организацию, такую как создание перезаписываемых этикеток.
Вероятно, нереально надеяться на полностью безбумажное общество, но мы работаем над тем, чтобы помочь людям использовать намного меньше бумаги, чем они делают - и легче использовать ее, когда они будут готовы.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Ядонг Инь, профессор химии, Калифорнийский университет, Риверсайд.
