Sinds de uitvinding rond 100 v.Chr. In China heeft papier als materiaal voor het verspreiden van informatie in grote mate bijgedragen aan de ontwikkeling en verspreiding van de beschaving. Zelfs in het informatietijdperk van vandaag, met elektronische media overal in huizen, kantoren en zelfs in onze portemonnee, speelt papier nog steeds een cruciale rol.
Onze hersenen verwerken informatie anders op papier en op het scherm. Informatie op papier omvat meer emotionele verwerking en produceert meer hersenreacties verbonden met interne gevoelens. Dat kan drukwerk effectiever en gedenkwaardiger maken dan digitale media. Natuurlijk wordt papier nog steeds veel gebruikt en wordt verwacht dat de wereldwijde consumptie zal groeien.
Maar papiergebruik brengt aanzienlijke milieu- en duurzaamheidsproblemen met zich mee. Jarenlang hebben wetenschappers gewerkt aan het ontwikkelen van leesmedia met het formaat van conventioneel papier, maar die herdrukt kunnen worden zonder eerst industrieel gerecycled te moeten worden. Een veelbelovende optie is om papier te coaten met een dunne film van chemicaliën die van kleur veranderen bij blootstelling aan licht. Maar eerdere inspanningen stuitten op problemen zoals hoge kosten en hoge toxiciteit - om nog maar te zwijgen over problemen die zowel leesbaar blijven als worden gewist voor hergebruik.
Mijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Californië, Riverside, heeft in samenwerking met Wenshou Wang aan de Shandong University in China onlangs een nieuwe coating ontwikkeld voor normaal papier die geen inkt nodig heeft en waarop met licht kan worden afgedrukt, meer dan 80 keer kan worden gewist en hergebruikt tijden. De coating combineert de functies van twee soorten nanodeeltjes, deeltjes die 100.000 keer dunner zijn dan een stuk papier; het ene deeltje is in staat 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.
Milieu-effecten van papier
Ongeveer 35 procent van alle geoogste bomen ter wereld wordt gebruikt om papier en karton van te maken. Wereldwijd is de pulp- en papierindustrie de op vier na grootste energieverbruiker en gebruikt ze meer water om een ton product te produceren dan welke andere industrie dan ook.
Pulpextractie verbruikt grote hoeveelheden energie en kan gevaarlijke chemicaliën zoals dioxine bevatten. Papierproductie resulteert in de uitstoot van de fosfor van voedingsstoffen. Dat op zijn beurt stimuleert de plantengroei, die alle zuurstof in het water kan verbruiken en elk dierlijk leven kan doden.
Zelfs nadat papier is gemaakt, is het gebruik ervan schadelijk voor het milieu. Vrachtpapier van waar het is gemaakt tot 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, de bodem te vergiftigen en de natuurlijke habitats van dieren in het wild te vernietigen.
Onze methode maakt gebruik van niet-toxische ingrediënten en maakt herhaald hergebruik van papier mogelijk, waardoor de milieueffecten worden verminderd.
Schakelen tussen kleuren
Bij het ontwikkelen van een coating voor papier is het belangrijk om er een te vinden die transparant is maar die van kleur kan veranderen in iets zichtbaars - en omgekeerd. Op die manier kan elke tekst of afbeelding leesbaar worden gemaakt zoals op normaal papier, maar ook gemakkelijk worden gewist.
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 veel gebruikt blauw pigment dat het meest bekend is als de blauwe kleur in architecturale blauwdrukken of inkten. Pruisische blauwe nanodeeltjes zien er normaal gesproken natuurlijk blauw uit, maar kunnen kleurloos worden wanneer ze van extra elektronen worden voorzien.
Het tweede materiaal is nanodeeltjes van titaniumdioxide. Bij blootstelling aan ultraviolet licht geven ze de elektronen vrij die het Pruisische blauw nodig heeft om kleurloos te worden.
Onze techniek combineert deze twee nanodeeltjes tot een stevige coating op conventioneel papier. (Het kan ook worden toegepast op andere vaste stoffen, waaronder plastic platen en glazen plaatjes.) Wanneer we ultraviolet licht op het gecoate papier laten schijnen, produceert het titaniumdioxide elektronen. De Pruisische blauwe deeltjes pakken die elektronen op en veranderen van kleur van blauw naar helder.
Het afdrukken kan worden gedaan via een masker, een doorzichtig plastic vel bedrukt met letters en patronen in zwart. Het papier begint helemaal blauw. Wanneer UV-licht door de lege gebieden op het masker gaat, verandert het de overeenkomstige gebieden op het onderliggende papier in wit, waardoor de informatie van het masker naar het papier wordt gerepliceerd. Het afdrukken is snel en duurt slechts enkele seconden.
De resolutie is erg hoog: het kan patronen produceren die zo klein zijn 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 afdrukken kan ook worden gedaan met behulp van een laserstraal, die over het papieroppervlak scant en de gebieden blootstelt die wit moeten zijn, op een manier vergelijkbaar met hoe de laserprinters van vandaag werken.
Een pagina wissen is eenvoudig: het verwarmen van het papier en de film tot ongeveer 120 graden Celsius (250 graden Fahrenheit) versnelt de oxidatiereactie, waardoor de afgedrukte inhoud binnen ongeveer 10 minuten volledig wordt gewist. Deze temperatuur is veel lager dan de temperatuur waarbij papier ontsteekt, dus er is geen gevaar voor brand. Het is ook lager dan de temperatuur van de huidige laserprinters, die ongeveer 200 graden Celsius (392 graden Fahrenheit) moeten bereiken om de toner direct op het papier te smelten.
Verbeterde chemische stabiliteit
Het gebruik van Pruisisch blauw als onderdeel van dit proces biedt een aanzienlijk aantal voordelen. Ten eerste is het zeer chemisch stabiel. Vroeger herschrijfbaar papier gebruikte meestal organische moleculen als de belangrijkste materialen voor kleurverandering, maar ze breken gemakkelijk af na blootstelling aan UV-licht tijdens het afdrukken. Als gevolg hiervan staan ze niet toe dat er heel veel cycli van afdrukken en wissen zijn.
Pruisische blauwe moleculen blijven daarentegen in wezen intact, zelfs na langdurige blootstelling aan ultraviolet licht. In ons lab hebben we meer dan 80 keer één vel kunnen schrijven en wissen zonder zichtbare veranderingen in de intensiteit van de kleur of de snelheid van de schakelaar waar te nemen.
Bovendien kan Pruisisch blauw 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 het ijzer vervangen door koper om een groen pigment te maken, of het ijzer volledig vervangen door kobalt om bruin te maken. Momenteel kunnen we slechts in één kleur tegelijk afdrukken.
Naarmate we deze technologie verder ontwikkelen, hopen we herschrijfbaar papier beschikbaar te maken voor veel gebruik van het weergeven van informatie, met name tijdelijk gebruik zoals kranten, tijdschriften en posters. 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 mensen te helpen veel minder papier te gebruiken dan zij - en gemakkelijker te hergebruiken wanneer ze klaar zijn.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Yadong Yin, hoogleraar scheikunde, Universiteit van Californië, Riverside.
