Seit seiner Erfindung um 100 v. Chr. In China hat Papier als Material zur Verbreitung von Informationen wesentlich zur Entwicklung und Verbreitung der Zivilisation beigetragen. Selbst im heutigen Informationszeitalter, in dem elektronische Medien in Haushalten, Büros und sogar in unseren Taschen allgegenwärtig sind, spielt Papier immer noch eine entscheidende Rolle.
Unser Gehirn verarbeitet Informationen auf Papier und auf dem Bildschirm unterschiedlich. Auf dem Papier präsentierte Informationen beinhalten eine emotionalere Verarbeitung und produzieren mehr Gehirnreaktionen, die mit inneren Gefühlen verbunden sind. Dies kann Drucksachen effektiver und einprägsamer machen als digitale Medien. Natürlich wird Papier immer noch häufig verwendet, und der weltweite Verbrauch wird voraussichtlich zunehmen.
Die Verwendung von Papier bringt jedoch erhebliche Umwelt- und Nachhaltigkeitsprobleme mit sich. Seit vielen Jahren haben Wissenschaftler daran gearbeitet, Lesemedien zu entwickeln, die das Format von herkömmlichem Papier haben, aber nachgedruckt werden können, ohne dass sie zuvor industriell recycelt werden müssen. Eine vielversprechende Möglichkeit bestand darin, Papier mit einem dünnen Film von Chemikalien zu beschichten, die sich bei Lichteinwirkung verfärben. Bisherige Bemühungen stießen jedoch auf Probleme wie hohe Kosten und hohe Toxizität - ganz zu schweigen von Schwierigkeiten, die sowohl lesbar bleiben als auch für die Wiederverwendung gelöscht werden.
Meine Forschungsgruppe an der University of California in Riverside hat in Zusammenarbeit mit Wenshou Wang an der Shandong University in China kürzlich eine neue Beschichtung für normales Papier entwickelt, die keine Tinte benötigt und mit Licht bedruckt, gelöscht und mehr als 80 Mal wiederverwendet werden kann mal. Die Beschichtung kombiniert die Funktionen von zwei Arten von Nanopartikeln, Partikeln, die 100.000 Mal dünner sind als ein Stück Papier. Ein Teilchen kann Energie aus dem Licht gewinnen und den Farbwechsel des anderen auslösen. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Entwicklung von nachdruckbarem Papier.
Umwelteinflüsse von Papier
Rund 35 Prozent aller geernteten Bäume der Welt werden zur Herstellung von Papier und Pappe verwendet. Weltweit ist die Zellstoff- und Papierindustrie der fünftgrößte Energieverbraucher und verwendet mehr Wasser zur Herstellung einer Tonne von Produkten als jede andere Branche.
Die Zellstoffgewinnung verbraucht viel Energie und kann gefährliche Chemikalien wie Dioxin enthalten. Bei der Papierherstellung wird der Nährstoff Phosphor freigesetzt. Dies fördert wiederum das Pflanzenwachstum, wodurch der gesamte Sauerstoff im Wasser verbraucht und alle Tierarten getötet werden können.
Auch nach der Herstellung von Papier wird die Umwelt geschädigt. Der Transport von Papier vom Herstellungsort zum Verwendungsort führt zu Luftverschmutzung. Die Herstellung und Verwendung von Tinte und Toner schadet auch der Umwelt, indem sie Wasser verunreinigt, den Boden vergiftet und die natürlichen Lebensräume der Wildtiere zerstört.
Unsere Methode verwendet ungiftige Inhaltsstoffe und ermöglicht die wiederholte Wiederverwendung von Papier, wodurch die Umwelteinflüsse verringert werden.
Farben wechseln
Bei der Entwicklung einer Papierbeschichtung ist es wichtig, eine zu finden, die transparent ist, aber die Farbe in etwas Sichtbares ändern kann - und zurück. Auf diese Weise können alle Texte oder Bilder wie auf normalem Papier lesbar gemacht, aber auch leicht gelöscht werden.
Unsere Methode kombiniert Nanopartikel - Partikel mit einer Größe zwischen 1 und 100 Nanometern - aus zwei verschiedenen Materialien, die von klar zu sichtbar und wieder zurück wechseln können. Das erste Material ist Preußischblau, ein weit verbreitetes blaues Pigment, das am häufigsten als blaue Farbe in Bauplänen oder Tinten verwendet wird. Preußisch blaue Nanopartikel erscheinen normalerweise natürlich blau, können aber farblos werden, wenn sie mit zusätzlichen Elektronen versorgt werden.
Das zweite Material sind Nanopartikel aus Titandioxid. Wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, setzen sie die Elektronen frei, die das preußische Blau benötigt, um farblos zu werden.
Unsere Technik kombiniert diese beiden Nanopartikel zu einer festen Beschichtung auf herkömmlichem Papier. (Es kann auch auf andere Feststoffe angewendet werden, einschließlich Kunststofffolien und Glasobjektträger.) Wenn wir ultraviolettes Licht auf das beschichtete Papier richten, erzeugt das Titandioxid Elektronen. Die preußisch blauen Teilchen nehmen diese Elektronen auf und wechseln ihre Farbe von blau nach klar.
Der Druck kann durch eine Maske erfolgen, bei der es sich um eine durchsichtige Plastikfolie handelt, die mit schwarzen Buchstaben und Mustern bedruckt ist. Das Papier fängt ganz blau an. Wenn UV-Licht durch die leeren Bereiche auf der Maske gelangt, werden die entsprechenden Bereiche auf dem Papier darunter in Weiß geändert und die Informationen von der Maske auf das Papier repliziert. Der Druckvorgang ist schnell und dauert nur wenige Sekunden.
Die Auflösung ist sehr hoch: Sie kann Muster von bis zu 10 Mikrometern erzeugen, die zehnmal kleiner sind als das, was unsere Augen sehen können. Das Papier bleibt länger als fünf Tage lesbar. Die Lesbarkeit verschlechtert sich langsam, da der Luftsauerstoff Elektronen von den preußisch blauen Nanopartikeln aufnimmt und sie wieder blau werden lässt. Der Druck kann auch mit einem Laserstrahl erfolgen, der die Papieroberfläche abtastet und die Bereiche freigibt, die weiß sein sollen, ähnlich wie heutige Laserdrucker.
Das Löschen einer Seite ist ganz einfach: Durch Erhitzen von Papier und Film auf ca. 120 Grad Celsius wird die Oxidationsreaktion beschleunigt und der gedruckte Inhalt innerhalb von ca. 10 Minuten vollständig gelöscht. Diese Temperatur liegt weit unter der Temperatur, bei der sich das Papier entzündet, sodass keine Brandgefahr besteht. Es ist auch niedriger als die Temperatur in aktuellen Laserdruckern, die etwa 200 Grad Celsius (392 Grad Fahrenheit) erreichen müssen, um den Toner sofort auf dem Papier zu fixieren.
Verbesserte chemische Stabilität
Die Verwendung von Preußischblau als Teil dieses Prozesses bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens ist es chemisch sehr stabil. Bisherige wiederbeschreibbare Papiere verwendeten in der Regel organische Moleküle als Hauptfarbwechselmaterialien, die sich jedoch leicht zersetzen, wenn sie während des Druckvorgangs UV-Licht ausgesetzt wurden. Infolgedessen lassen sie nicht sehr viele Druck- und Löschzyklen zu.
Im Gegensatz dazu bleiben preußisch blaue Moleküle auch nach längerer Einwirkung von ultraviolettem Licht im Wesentlichen intakt. In unserem Labor konnten wir mehr als 80 Mal ein einzelnes Blatt schreiben und löschen, ohne erkennbare Änderungen der Farbintensität oder der Geschwindigkeit des Schalters zu bemerken.
Darüber hinaus kann Preußisch Blau leicht modifiziert werden, um verschiedene Farben zu erzeugen, so dass Blau nicht die einzige Option ist. Wir können die chemische Struktur des Pigments ändern, indem wir einen Teil seines Eisens durch Kupfer ersetzen, um ein grünes Pigment zu erhalten, oder das Eisen vollständig durch Kobalt ersetzen, um es braun zu machen. Gegenwärtig können wir immer nur in einer Farbe drucken.
Wenn wir diese Technologie weiterentwickeln, hoffen wir, wiederbeschreibbares Papier für viele Zwecke zur Anzeige von Informationen verfügbar zu machen, insbesondere für vorübergehende Zwecke wie Zeitungen, Zeitschriften und Plakate. Andere Anwendungen erstrecken sich auf die Herstellung, das Gesundheitswesen und sogar das einfache Organisieren, wie das Herstellen wiederbeschreibbarer Etiketten.
Es ist wahrscheinlich nicht machbar, auf eine komplett papierlose Gesellschaft zu hoffen, aber wir arbeiten daran, Menschen dabei zu helfen, viel weniger Papier zu verbrauchen als sie - und es leichter wiederzuverwenden, wenn sie dazu bereit sind.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Yadong Yin, Professor für Chemie, Universität von Kalifornien, Riverside.
