Od svého vynálezu kolem roku 100 př. Nl v Číně papír jako materiál pro šíření informací výrazně přispěl k rozvoji a šíření civilizace. I v dnešním informačním věku, kdy jsou elektronická média všudypřítomná v domácnostech, kancelářích a dokonce i v našich kapsách, hraje papír stále důležitou roli.
Naše mozky zpracovávají informace odlišně na papíře a na obrazovce. Informace prezentované na papíře zahrnují více emocionálního zpracování a produkují více mozkových odpovědí spojených s vnitřními pocity. Díky tomu může být tištěný materiál efektivnější a zapamatovatelnější než digitální média. Papír se samozřejmě stále běžně používá a očekává se, že celosvětová spotřeba poroste.
Používání papíru však přináší značné problémy v oblasti životního prostředí a udržitelnosti. Po mnoho let vědci pracují na vývoji čtecích médií, která mají formát konvenčního papíru, ale mohou být dotisknuta bez předchozího průmyslového recyklace. Jednou slibnou možností bylo povlečení papíru tenkým filmem chemikálií, které mění barvu, když jsou vystaveny světlu. Předchozí úsilí se však setkalo s problémy, jako jsou vysoké náklady a vysoká toxicita - nemluvě o obtížích, které by zůstaly čitelné a byly vymazány pro opětovné použití.
Moje výzkumná skupina na University of California, Riverside, ve spolupráci s Wenshou Wang na Shandong University v Číně, nedávno vyvinula nový povlak pro běžný papír, který nepotřebuje inkoust, a může být potištěn světlem, vymazán a znovu použit více než 80 krát. Povlak kombinuje funkce dvou typů nanočástic, částeček 100 000krát tenčí než kus papíru; jedna částice je schopna získat energii ze světla a iniciuje změnu barvy druhé. To představuje důležitý krok směrem k vývoji opakovaně tisknutelného papíru.
Environmentální dopady papíru
Asi 35 procent všech vytěžených stromů na světě se používá k výrobě papíru a lepenky. Průmysl celulózy a papíru je na celém světě pátým největším spotřebitelem energie a používá více vody k výrobě tuny produktu než kterýkoli jiný průmysl.
Extrakce buničiny spotřebovává velké množství energie a může zahrnovat nebezpečné chemikálie, jako je dioxin. Výsledkem výroby papíru je emise živinového fosforu. To zase podporuje růst rostlin, který může spotřebovat veškerý kyslík ve vodě a zabít jakýkoli život zvířat.
I když je papír vyroben, jeho použití poškozuje životní prostředí. Přepravní papír z místa, kde je vyroben, do místa, kde je použit, vytváří znečištění ovzduší. A výroba a používání inkoustu a toneru také poškozují životní prostředí tím, že kontaminují vodu, otravují půdu a ničí přirozená stanoviště volně žijících živočichů.
Naše metoda používá netoxické přísady a umožňuje opakované opětovné použití papíru, čímž se snižují účinky na životní prostředí.
Přepínání barev
Při vývoji povlaku na papír je důležité najít ten, který je průhledný, ale může změnit barvu na něco viditelného - a zpět. Tímto způsobem může být jakýkoli text nebo obrázky čitelné jako na běžném papíru, ale také snadno smazatelné.
Naše metoda kombinuje nanočástice - částice o velikosti 1 až 100 nanometrů - ze dvou různých materiálů, které se mohou měnit z čirých na viditelné a zpět. Prvním materiálem je pruská modrá, široce používaný modrý pigment nejznámější jako modrá barva v architektonických plánech nebo inkoustech. Pruské modré nanočástice se obvykle jeví jako modré, ale mohou se stát bezbarvé, pokud jsou dodány s dalšími elektrony.
Druhým materiálem jsou nanočástice oxidu titaničitého. Když jsou vystaveni ultrafialovému světlu, uvolňují elektrony, které pruská modrá potřebuje, aby se zbarvily.
Naše technika kombinuje tyto dvě nanočástice do pevného povlaku na běžném papíru. (Může se také použít na jiné pevné látky, včetně plastových fólií a skleněných sklíček.) Když na potažený papír září ultrafialové světlo, oxid titaničitý produkuje elektrony. Pruské modré částice zachytí tyto elektrony a změní barvu z modré na čistou.
Tisk lze provést pomocí masky, což je čirý plastový list potištěný písmeny a vzory v černé barvě. Papír začíná úplně modrý. Když UV světlo prochází prázdnými oblastmi masky, mění odpovídající oblasti na papíře pod bílou, čímž replikuje informace z masky na papír. Tisk je rychlý a dokončení trvá jen několik sekund.
Rozlišení je velmi vysoké: Může vytvářet vzory malé až 10 mikrometrů, 10krát menší, než to, co naše oči vidí. Příspěvek zůstane čitelný déle než pět dnů. Jeho čitelnost se pomalu degraduje, protože kyslík ve vzduchu bere elektrony z pruských modrých nanočástic a mění je zpět na modrou. Tisk lze také provést pomocí laserového paprsku, který skenuje přes povrch papíru a odhaluje oblasti, které by měly být bílé, podobným způsobem, jakým fungují dnešní laserové tiskárny.
Vymazání stránky je snadné: Zahřívání papíru a filmu na přibližně 120 stupňů Celsia (250 stupňů Fahrenheita) zrychluje oxidační reakci a tištěný obsah se během přibližně 10 minut zcela smaže. Tato teplota je mnohem nižší než teplota, při které se papír vznítí, takže nehrozí nebezpečí požáru. Je také nižší než teplota běžných laserových tiskáren, které musí dosáhnout teploty asi 200 stupňů Celsia (392 stupňů Fahrenheita), aby se toner okamžitě na papír roztavil.
Vylepšená chemická stabilita
Použití pruské modři jako součásti tohoto procesu nabízí značné množství výhod. Za prvé, je vysoce chemicky stabilní. Předchozí přepisovatelné papíry obvykle používaly jako hlavní materiály pro změnu barvy organické molekuly, ale po vystavení UV světlu během tisku se snadno rozpadají. V důsledku toho neumožňují příliš mnoho cyklů tisku a mazání.
Naproti tomu molekuly pruské modři zůstávají v podstatě neporušené i po dlouhodobém vystavení ultrafialovému světlu. V naší laboratoři jsme byli schopni napsat a vymazat jeden list více než 80krát, aniž bychom pozorovali jakékoli zjevné změny v intenzitě barvy nebo rychlosti přepínače.
Kromě toho lze pruskou modrou snadno upravit tak, aby vytvořila různé barvy, takže modrá není jedinou možností. Můžeme změnit chemickou strukturu pigmentu tím, že část jeho železa nahradíme mědí za vzniku zeleného pigmentu, nebo úplně nahradíme železo kobaltem, aby se z hnědého materiálu stala hnědá. V současné době jsme schopni tisknout pouze v jedné barvě najednou.
Při dalším vývoji této technologie doufáme, že zpřístupníme přepisovatelný papír pro mnoho použití zobrazování informací, zejména pro dočasná použití, jako jsou noviny, časopisy a plakáty. Další použití se týká výroby, zdravotnictví a dokonce i jednoduchého organizování, jako je například výroba přepisovatelných štítků.
Pravděpodobně není možné doufat ve zcela bezpapírovou společnost, ale pracujeme na tom, abychom lidem pomohli používat mnohem méně papíru než oni - a snadněji je znovu použít, až budou připraveni.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Yadong Yin, profesor chemie, University of California, Riverside.
