De la invenția sa în jurul anului 100 î.Hr. în China, hârtia ca material pentru răspândirea informațiilor a contribuit mult la dezvoltarea și răspândirea civilizației. Chiar și în epoca informațiilor actuale, cu media electronică omniprezentă în case, birouri și chiar buzunarele noastre, hârtia joacă încă un rol critic.
Creierul nostru prelucrează informațiile în mod diferit pe hârtie și pe ecran. Informațiile prezentate pe hârtie implică o prelucrare mai emoțională și produc mai multe răspunsuri ale creierului legate de sentimentele interne. Acest lucru poate face materialul tipărit mai eficient și mai memorabil decât suporturile digitale. Desigur, hârtia este încă în uz obișnuit, iar consumul global se așteaptă să crească.
Dar utilizarea hârtiei vine cu probleme semnificative de mediu și de durabilitate. Timp de mai mulți ani, oamenii de știință au lucrat la dezvoltarea suporturilor de citire care au formatul hârtiei convenționale, dar care pot fi reimprimate fără să fie nevoie mai întâi de reciclarea industrială. O opțiune promițătoare a fost acoperirea hârtiei cu o peliculă subțire de substanțe chimice care își schimbă culoarea când sunt expuse la lumină. Însă eforturile anterioare s-au confruntat cu probleme precum costurile ridicate și toxicitatea ridicată - ca să nu mai vorbim de dificultăți atât pentru a rămâne citibile, cât și pentru a fi șterse pentru refolosire.
Grupul meu de cercetare de la Universitatea din California, Riverside, în colaborare cu Wenshou Wang de la Universitatea Shandong din China, a dezvoltat recent un nou strat de hârtie obișnuită care nu are nevoie de cerneală și poate fi imprimat cu lumină, șters și reutilizat mai mult de 80 ori. Acoperirea combină funcțiile a două tipuri de nanoparticule, particule de 100.000 de ori mai subțiri decât o bucată de hârtie; o particulă este capabilă să obțină energie de la lumină și inițiază schimbarea culorii celeilalte. Aceasta reprezintă un pas important către dezvoltarea hârtiei reimprimate.
Efectele asupra mediului ale hârtiei
Aproximativ 35% din toți copacii recoltați din lume sunt folosiți pentru a face hârtie și carton. La nivel mondial, industria celulozei și a hârtiei este al cincilea mare consumator de energie și folosește mai multă apă pentru a produce o tonă de produs decât orice altă industrie.
Extracția pulpei consumă cantități mari de energie și poate implica substanțe chimice periculoase precum dioxina. Producția de hârtie are ca rezultat emisia fosforului de nutrienți. Acest lucru, la rândul său, crește creșterea plantelor, care poate folosi tot oxigenul din apă și poate ucide orice viață animală.
Chiar și după ce hârtia este făcută, utilizarea ei dăunează mediului. Transportul hârtiei de unde este fabricată până la locul unde se utilizează generează poluarea aerului. Și producerea și folosirea de cerneală și toner dăunează și mediului, prin contaminarea apei, otrăvirea solului și distrugerea habitatelor naturale ale vieții sălbatice.
Metoda noastră folosește ingrediente netoxice și permite reutilizarea repetată a hârtiei, reducând astfel efectele asupra mediului.
Comutarea culorilor
În dezvoltarea unui înveliș pentru hârtie, este important să găsești unul transparent, dar care își poate schimba culoarea în ceva vizibil - și înapoi. În acest fel, orice text sau imagini pot fi citite ca pe hârtie normală, dar și ușor șterse.
Metoda noastră combină nanoparticule - particule între 1 și 100 nanometri ca mărime - a două materiale diferite care se pot schimba de la clar la vizibil și din nou. Primul material este albastru prusac, un pigment albastru utilizat pe scară largă, cunoscut mai ales ca culoarea albastră în modelele sau cernelurile arhitecturale. Nanoparticulele albastre prusiene apar în mod normal albastru, desigur, dar pot deveni incolore atunci când sunt furnizate cu electroni suplimentari.
Al doilea material este nanoparticulele de dioxid de titan. Atunci când sunt expuși la lumina ultravioletă, ei eliberează electronii de care albastru prusac are nevoie pentru a deveni incolor.
Tehnica noastră combină aceste două nanoparticule într-un strat solid pe hârtie convențională. (Poate fi aplicat și la alte solide, inclusiv foi de plastic și lamele de sticlă.) Când strălucesc lumina ultravioletă pe hârtia acoperită, dioxidul de titan produce electroni. Particulele de albastru prusac ridică acei electroni și își schimbă culoarea de la albastru la clar.
Tipărirea se poate face printr-o mască, care este o foaie de plastic transparentă tipărită cu litere și modele în negru. Hârtia începe complet albastră. Când lumina UV trece prin zonele goale de pe mască, schimbă zonele corespunzătoare ale hârtiei dedesubt în alb, replicând informațiile de la mască la hârtie. Tipărirea este rapidă, durează doar câteva secunde.
Rezoluția este foarte mare: Poate produce tipare minuscule ca 10 micrometri, de 10 ori mai mici decât ceea ce pot vedea ochii noștri. Lucrarea va rămâne lizibilă mai mult de cinci zile. Disponibilitatea sa se va degrada lent, deoarece oxigenul din aer preia electronii din nanoparticulele albastre prusiene și le va întoarce în albastru. Tipărirea se poate face și folosind un fascicul laser, care scanează pe suprafața hârtiei și expune zonele care ar trebui să fie albe, într-un mod similar cu modul în care funcționează imprimantele laser de astăzi.
Ștergerea unei pagini este ușoară: Încălzirea hârtiei și a filmului la aproximativ 120 de grade Celsius (250 de grade Fahrenheit) grăbește reacția de oxidare, ștergând conținutul tipărit complet în aproximativ 10 minute. Această temperatură este mult mai mică decât temperatura la care se aprinde hârtia, deci nu există pericol de incendiu. De asemenea, este mai mică decât temperatura implicată în imprimantele laser actuale, care trebuie să ajungă la aproximativ 200 de grade Celsius (392 grade Fahrenheit) pentru a fuziona instantaneu tonerul pe hârtie.
Stabilitate chimică îmbunătățită
Utilizarea albastru prusac ca parte a acestui proces oferă un număr semnificativ de avantaje. În primul rând, este puternic chimic. Lucrările rescriptibile anterioare foloseau de obicei molecule organice ca materiale principale de schimbare a culorii, dar se descompun ușor după ce au fost expuse la lumina UV în timpul tipăririi. Drept urmare, acestea nu permit foarte multe cicluri de imprimare și ștergere.
În schimb, moleculele albastre prusiene rămân esențiale intacte chiar și după expunerea pe termen lung la lumina ultravioletă. În laboratorul nostru am reușit să scriem și să ștergem o singură foaie de peste 80 de ori fără să observăm modificări aparente ale intensității culorii sau vitezei comutatorului.
În plus, albastrul prusac poate fi ușor modificat pentru a produce culori diferite, astfel încât albastrul nu este singura opțiune. Putem schimba structura chimică a pigmentului, înlocuind o parte din fier cu cupru pentru a face un pigment verde sau înlocuind în întregime fierul cu cobalt pentru a se răzbi. În prezent, putem imprima o singură culoare la un moment dat.
Pe măsură ce dezvoltăm această tehnologie în continuare, sperăm să facem hârtia rescriptibilă disponibilă pentru multe utilizări de afișare a informațiilor, în special pentru utilizări temporare, cum ar fi ziare, reviste și postere. Alte utilizări se extind la fabricație, îngrijirea sănătății și chiar organizarea simplă, precum fabricarea de etichete rescriptibile.
Probabil că nu este posibil să sperăm la o societate complet fără hârtie, dar lucrăm pentru a ajuta oamenii să folosească hârtie mult mai puțin decât ei - și să o reutilizăm mai ușor atunci când sunt gata.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Yadong Yin, profesor de chimie, Universitatea din California, Riverside.
