Pärast selle leiutamist Hiinas umbes 100 eKr on paber kui teabe levitamise materjal andnud suure panuse tsivilisatsiooni arengusse ja levikusse. Isegi tänapäeval infoajastul, kus kodudes, kontorites ja isegi meie taskutes on kõik elektroonilised meediumid, mängib paber endiselt kriitilist rolli.
Meie ajud töötlevad teavet paberil ja ekraanil erinevalt. Paberkandjal esitatud teave hõlmab rohkem emotsionaalset töötlemist ja tekitab rohkem sisemiste tunnetega seotud ajureaktsioone. See võib muuta trükitud materjali digitaalse meediumiga võrreldes efektiivsemaks ja meeldejäävamaks. Muidugi on paber endiselt tavakasutuses ja eeldatakse, et globaalne tarbimine kasvab.
Kuid paberikasutusega kaasnevad olulised keskkonna- ja säästvusprobleemid. Aastaid on teadlased töötanud välja tavapärasest paberist formaadis lugemismeediume, kuid neid saab uuesti printida, ilma et neid oleks vaja tööstuslikult ringlusse võtta. Üks paljutõotav võimalus on olnud katta paber õhukese kemikaalikihiga, mis valguse käes värvi muudab. Kuid varasemates jõupingutustes on esinenud selliseid probleeme nagu kõrge hind ja kõrge toksilisus - rääkimata raskustest, mis on nii loetav kui ka korduskasutamiseks kustutatud.
Minu uurimisrühm Riverside'i California ülikoolis koostöös Hiinas asuva Shandongi ülikooli Wenshou Wangiga on hiljuti välja töötanud tavalise paberi uue katte, mis ei vaja tinti ja mida saab valgusega trükkida, kustutada ja uuesti kasutada üle 80 korda. Kate ühendab kahte tüüpi nanoosakeste funktsioone, osakesed on 100 000 korda õhemad kui paberitükk; üks osake suudab valgusest energiat saada ja algatab teise värvimuutuse. See on oluline samm kordustrükitava paberi väljatöötamise suunas.
Paberi keskkonnamõjud
Ligikaudu 35 protsenti kogu maailmas koristatud puudest kasutatakse paberi ja papi valmistamiseks. Tselluloosi- ja paberitööstus on kogu maailmas suuruselt viies energiatarbija ja kasutab tonni toote tootmiseks rohkem vett kui ükski teine tööstus.
Tselluloosi ekstraheerimine kulutab suures koguses energiat ja võib hõlmata ohtlikke kemikaale nagu dioksiin. Paberitootmise tulemusel eraldub toitainefosfor. See omakorda stimuleerib taimede kasvu, mis võib ära kasutada kogu vees oleva hapniku ja tappa loomade elu.
Isegi pärast paberi valmistamist kahjustab selle kasutamine keskkonda. Kaubavedu paberist selle valmistamise kohast kasutamiseni tekitab õhusaastet. Tindi ja tooneri valmistamine ja kasutamine kahjustab ka keskkonda, saastades vett, mürgitades pinnast ja hävitades eluslooduse looduslikke elupaiku.
Meie meetod kasutab mittetoksilisi koostisosi ja võimaldab paberit korduvalt kasutada, vähendades seeläbi keskkonnamõjusid.
Värvide vahetamine
Paberkatte väljatöötamisel on oluline leida selline, mis oleks läbipaistev, kuid mis muudaks värvi millekski nähtavaks - ja tagasi. Nii saab mis tahes teksti või pilte muuta loetavaks nagu tavalisel paberil, aga ka hõlpsasti kustutatavaid.
Meie meetod ühendab kahe erineva materjali nanoosakesi - suurusega 1 kuni 100 nanomeetrit -, mis võivad muutuda läbipaistvast nähtavaks ja tagasi. Esimene materjal on Preisi sinine, laialt kasutatav sinine pigment, mis on arhitektuurilistel joonistel või trükivärvides kõige paremini tuttav sinise värvina. Preisi sinised nanoosakesed tunduvad tavaliselt sinised, kuid lisaelektronitega varustatuna võivad nad muutuda värvituks.
Teine materjal on titaandioksiidi nanoosakesed. Ultraviolettvalgusega kokkupuutel vabastavad nad elektronid, mille Preisi sinine vajab värvitu muutumist.
Meie tehnika ühendab need kaks nanoosakest tahkeks katteks tavalisel paberil. (Seda saab kasutada ka muude tahkete ainete, sealhulgas plastlehtede ja klaasklappide puhul.) Kui kattega paberile ultraviolettvalgust paistame, tekitab titaandioksiid elektrone. Preisi sinised osakesed võtavad need elektronid vastu ja muudavad värvi siniseks selgeks.
Trükkida saab maski kaudu, mis on selge plastist leht, millele on trükitud mustad tähed ja mustrid. Paber algab täiesti siniselt. Kui ultraviolettvalgus läbib maski tühjad alad, muudab see vastavad paberi all olevad alad valgeks, kopeerides maski teabe paberile. Trükkimine toimub kiiresti, selleks kulub vaid mõni sekund.
Eraldusvõime on väga kõrge: see võib tekitada mustreid, mis on nii pisikesed kui 10 mikromeetrit, 10 korda väiksemad kui meie silmad näevad. Paber jääb loetavaks enam kui viis päeva. Selle loetavus halveneb aeglaselt, kuna õhus olev hapnik võtab Preisi sinistest nanoosakestest elektrone ja muudab need taas siniseks. Trükkida saab ka laserkiire abil, mis skaneerib kogu paberipinna ja paljastab alad, mis peaksid olema valged, sarnaselt tänapäevaste laserprinterite tööpõhimõttega.
Lehe kustutamine on lihtne: paberi ja kile kuumutamine temperatuurini umbes 120 kraadi (250 kraadi Fahrenheiti) kiirendab oksüdatsioonireaktsiooni, kustutades prinditud sisu umbes 10 minuti jooksul täielikult. See temperatuur on palju madalam temperatuurist, mil paber süttib, seega pole tuleohtu. See on ka madalam temperatuurist, mida pakuvad praegused laserprinterid, mille tooneri koheselt paberile sulatamiseks peab temperatuur olema umbes 200 kraadi (392 kraadi Fahrenheiti).
Parem keemiline stabiilsus
Preisi sinise värvi kasutamine selle protsessi osana pakub märkimisväärset hulka eeliseid. Esiteks on see keemiliselt väga stabiilne. Varasemates ümberkirjutatavates paberites kasutati peamiste värvimuutusmaterjalidena tavaliselt orgaanilisi molekule, kuid pärast printimise ajal ultraviolettvalgusega kokkupuutumist need lagunevad kergesti. Selle tulemusel ei luba nad väga palju printimis- ja kustutamistsükleid.
Seevastu Preisi sinised molekulid püsivad põhimõtteliselt tervetena isegi pärast pikaajalist ultraviolettvalgusega kokkupuudet. Meie laboris oleme suutnud ühte lehte kirjutada ja kustutada rohkem kui 80 korda, ilma et oleks täheldatud mingeid ilmseid muutusi värvi intensiivsuses või lüliti kiiruses.
Lisaks saab Preisi sinist värvi erinevate värvide saamiseks hõlpsasti modifitseerida, nii et sinine pole ainus võimalus. Saame muuta pigmendi keemilist struktuuri, asendades osa rauda vasest, et saada roheline pigment, või täielikult, asendades raua koobaltiga, et saada pruun. Praegu saame printida ainult ühes värvitoonis korraga.
Selle tehnoloogia edasiarendamisel loodame teha taaskirjutatava paberi kättesaadavaks teabe kuvamise mitmel otstarbel, eriti ajutiseks kasutamiseks, näiteks ajalehed, ajakirjad ja plakatid. Muud kasutusalad hõlmavad tootmist, tervishoidu ja isegi lihtsat korraldamist, näiteks ümberkirjutatavate siltide valmistamine.
Tõenäoliselt pole täiesti paberivaba ühiskonna lootmine teostatav, kuid me töötame selle nimel, et aidata inimestel kasutada palju vähem paberit kui praegu - ja seda hõlpsamini taaskasutada, kui nad on valmis.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Yadong Yin, California ülikooli Riverside'i keemiaprofessor.
