Sejak penemuannya sekitar 100 SM di China, kertas sebagai bahan untuk menyebarkan maklumat telah banyak menyumbang kepada perkembangan dan penyebaran tamadun. Malah pada zaman maklumat hari ini, dengan media elektronik yang ada di rumah, pejabat dan bahkan kantong kita, kertas masih memainkan peranan penting.
Otak kita memproses maklumat secara berbeza di atas kertas dan di skrin. Maklumat yang dikemukakan di atas kertas melibatkan lebih banyak pemprosesan emosi dan menghasilkan lebih banyak respons otak yang berkaitan dengan perasaan dalaman. Itu boleh membuat bahan bercetak lebih berkesan dan lebih berkesan daripada media digital. Sudah tentu, kertas masih digunakan umum, dan penggunaan global dijangka berkembang.
Tetapi penggunaan kertas datang dengan masalah alam sekitar dan kemampanan yang ketara. Selama bertahun-tahun, para saintis telah berusaha untuk membangunkan media bacaan yang mempunyai format kertas konvensional tetapi boleh dicetak semula tanpa perlu dikitar semula secara industri terlebih dahulu. Satu pilihan yang menjanjikan adalah untuk kertas kot dengan filem tipis bahan kimia yang berubah warna apabila terkena cahaya. Tetapi usaha terdahulu telah menemui masalah seperti kos tinggi dan ketoksikan yang tinggi - apatah lagi kesukaran kedua-dua baki dibaca dan dipadamkan untuk digunakan semula.
Kumpulan penyelidikan saya di University of California, Riverside, dengan kerjasama Wenshou Wang di Universiti Shandong di China, baru-baru ini telah membangunkan salutan baru untuk kertas biasa yang tidak memerlukan dakwat, dan boleh dicetak dengan cahaya, dihapuskan dan digunakan lebih daripada 80 kali. Salutan menggabungkan fungsi dua jenis nanopartikel, zarah 100, 000 kali lebih kurus daripada sekeping kertas; satu zarah dapat memperoleh tenaga dari cahaya dan memulakan perubahan warna yang lain. Ini merupakan langkah penting ke arah pembangunan kertas diterbitkan semula.
Kesan alam sekitar kertas
Kira-kira 35 peratus pokok panen di dunia digunakan untuk membuat kertas dan kadbod. Di seluruh dunia, industri pulpa dan kertas adalah pengguna tenaga kelima terbesar dan menggunakan lebih banyak air untuk menghasilkan satu tan produk daripada industri lain.
Pengekstrakan pulpa menggunakan sejumlah besar tenaga dan boleh melibatkan bahan kimia berbahaya seperti dioksin. Hasil pengeluaran kertas dalam pelepasan fosforus nutrien. Itu, seterusnya, meningkatkan pertumbuhan tumbuhan, yang boleh menggunakan semua oksigen di dalam air dan membunuh sebarang kehidupan haiwan.
Walaupun kertas dibuat, kegunaannya merosakkan alam sekitar. Kertas truk dari mana ia dibuat ke mana ia digunakan menjana pencemaran udara. Dan membuat dan menggunakan dakwat dan toner juga merosakkan alam sekitar, dengan mencemari air, meracuni tanah dan memusnahkan habitat hidupan liar semulajadi.
Kaedah kami menggunakan bahan-bahan nontoxic dan membenarkan penggunaan semula kertas yang berulang, dengan itu mengurangkan kesan persekitaran.
Menukar warna
Dalam mengembangkan salutan untuk kertas, penting untuk mencari satu yang telus tetapi boleh menukar warna kepada sesuatu yang dapat dilihat dan belakang. Dengan cara itu, apa-apa teks atau imej boleh dibaca seperti pada kertas biasa, tetapi juga mudah dipadam.
Kaedah kami menggabungkan nanopartikel-zarah antara 1 dan 100 nanometer dalam saiz-dua bahan yang berbeza yang boleh berubah dari jelas ke kelihatan dan kembali lagi. Bahan pertama adalah Prusia biru, pigmen biru yang banyak digunakan yang paling biasa sebagai warna biru dalam cetak biru atau tinta seni bina. Nanopartikel biru Prussian biasanya kelihatan biru, sudah tentu, tetapi boleh menjadi tidak berwarna apabila dibekalkan dengan elektron tambahan.
Bahan kedua adalah nanopartikel titanium dioksida. Apabila terdedah kepada cahaya ultraviolet, mereka melepaskan elektron yang memerlukan warna biru Prussian untuk menjadi tidak berwarna.
Teknik kami menggabungkan kedua-dua nanopartikel ini menjadi lapisan padat pada kertas konvensional. (Ia juga boleh digunakan untuk pepejal lain, termasuk kepingan plastik dan slaid kaca.) Apabila kita menyinar cahaya ultraviolet pada kertas bersalut, titanium dioksida menghasilkan elektron. Partikel biru Prussian mengambil elektron tersebut dan menukar warna dari biru ke jernih.
Percetakan boleh dilakukan melalui topeng, yang merupakan lembaran plastik yang jelas dicetak dengan huruf dan pola hitam. Kertas itu bermula sepenuhnya berwarna biru. Apabila cahaya UV melewati kawasan kosong di topeng, ia mengubah kawasan yang sama di atas kertas di bawah putih, mereplikasi maklumat dari topeng ke kertas. Percetakan cepat, hanya mengambil beberapa saat untuk diselesaikan.
Resolusi ini sangat tinggi: Ia boleh menghasilkan corak yang kecil sebanyak 10 mikrometer, 10 kali lebih kecil daripada apa yang mata kita dapat lihat. Kertas ini akan terus dibaca selama lebih dari lima hari. Pembacaannya akan perlahan-lahan merendahkan, kerana oksigen di udara mengambil elektron dari nanopartikel biru Prussian dan menjadikannya kembali ke biru. Percetakan juga boleh dilakukan dengan menggunakan sinar laser, yang mengimbas permukaan kertas dan memperlihatkan kawasan yang sepatutnya putih, dengan cara yang sama seperti bagaimana pencetak laser hari ini berfungsi.
Memadamkan halaman mudah: Pemanasan kertas dan filem ke kira-kira 120 darjah Celsius (250 darjah Fahrenheit) mempercepatkan tindak balas pengoksidaan, menghapuskan kandungan cetak sepenuhnya dalam masa kira-kira 10 minit. Suhu ini jauh lebih rendah daripada suhu di mana kertas menyala, jadi tidak ada bahaya kebakaran. Ia juga lebih rendah daripada suhu yang terlibat dalam pencetak laser semasa, yang perlu mencapai kira-kira 200 darjah Celsius (392 darjah Fahrenheit) untuk seketika sekerap toner ke atas kertas.
Kestabilan kimia yang bertambah baik
Menggunakan Prusia biru sebagai sebahagian daripada proses ini menawarkan sejumlah kelebihan yang signifikan. Pertama, ia sangat stabil secara kimia. Makalah yang boleh tulis semula biasanya menggunakan molekul organik sebagai bahan perubahan warna utama, tetapi ia mudah rosak selepas terdedah kepada cahaya UV semasa percetakan. Hasilnya, mereka tidak membenarkan banyak cetakan percetakan dan penyingkiran.
Sebaliknya, molekul biru Prussian kekal utuh walaupun selepas pendedahan jangka panjang kepada cahaya ultraviolet. Di makmal kami, kami dapat menulis dan memadam satu helaian lebih daripada 80 kali tanpa memerhatikan apa-apa perubahan ketara pada intensiti warna atau kelajuan suis.
Di samping itu, biru Prussian boleh diubahsuai dengan mudah untuk menghasilkan warna yang berbeza, jadi biru bukan satu-satunya pilihan. Kita boleh mengubah struktur kimia pigmen, menggantikan beberapa besi dengan tembaga untuk membuat pigmen hijau, atau menggantikan besi sepenuhnya dengan kobalt untuk membuat coklat. Pada masa ini, kami dapat mencetak hanya satu warna pada satu masa.
Apabila kami terus mengembangkan teknologi ini, kami berharap dapat membuat kertas tulis yang boleh digunakan untuk kegunaan banyak maklumat, terutama penggunaan sementara seperti surat khabar, majalah dan poster. Penggunaan lain merangkumi pembuatan, penjagaan kesihatan dan juga penganjuran yang mudah, seperti membuat label yang boleh tulis semula.
Ia mungkin tidak boleh diharapkan untuk masyarakat tanpa kertas, tetapi kami berusaha membantu orang menggunakan kertas kurang daripada yang mereka lakukan - dan lebih mudah menggunakannya semula apabila mereka siap.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Yadong Yin, Profesor Kimia, University of California, Riverside.
