נייר שניתן להדפיס מחדש הופך למציאות

מאז המצאתו בסביבות 100 לפני הספירה בסין, נייר כחומר להפצת מידע תרם רבות להתפתחות והתפשטות התרבות. אפילו בעידן המידע של ימינו, כאשר המדיה האלקטרונית אינה קיימת בבתי חולים, משרדים ואפילו בכיסינו, נייר ממלא עדיין תפקיד קריטי.

המוח שלנו מעבד מידע באופן שונה על נייר ועל המסך. מידע המוצג על הנייר כרוך בעיבוד רגשי יותר ומייצר יותר תגובות מוחיות הקשורות לרגשות פנימיים. זה יכול להפוך חומר מודפס ליעיל ובלתי נשכח יותר מאשר מדיה דיגיטלית. כמובן, הנייר עדיין בשימוש נפוץ, והצריכה העולמית צפויה לגדול.

אך השימוש בנייר מגיע לבעיות משמעותיות בסביבה ובקיימות. במשך שנים רבות, מדענים פעלו לפיתוח מדיות קריאה בעלות פורמט של נייר קונבנציונאלי, אך ניתן להדפיס אותם שוב מבלי שיהיה צורך למחזר אותם באופן תעשייתי. אפשרות מבטיחה אחת הייתה ציפוי נייר בסרט דק של כימיקלים המשנים את הצבע כאשר הם נחשפים לאור. אך מאמצים קודמים נתקלו בבעיות כמו עלות גבוהה ורעילות גבוהה - שלא לדבר על קושי הן להישאר קריאות והן למחוק לשימוש חוזר.

קבוצת המחקר שלי באוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד, בשיתוף פעולה עם Wenshou Wang מאוניברסיטת שאנדונג בסין, פיתחה לאחרונה ציפוי חדש לנייר רגיל שאינו זקוק לדיו, וניתן להדפיס עליו באור, למחוק ולעשות שימוש חוזר יותר מ- 80 פעמים. הציפוי משלב פונקציות של שני סוגים של חלקיקים, חלקיקים דקים פי 100 יותר מפיסת נייר; חלקיק אחד מסוגל להשיג אנרגיה מאור ויוזם שינוי צבע של השני. זה מייצג צעד חשוב לקראת פיתוח נייר שניתן להדפיס מחדש.

השפעות סביבתיות של נייר

כ- 35 אחוז מכל העצים שנקטפו בעולם משמשים לייצור נייר וקרטון. ברחבי העולם, ענף העיסה והנייר הוא הצרכן החמישי בגודלו של אנרגיה ומשתמש ביותר מים בכדי לייצר טונה של מוצר מכל ענף אחר.

מיצירת עיסת צורכת כמויות גדולות של אנרגיה ויכולה להיות כרוכה בכימיקלים מסוכנים כמו דיוקסין. ייצור הנייר מביא לפליטת הזרחן המזין. זה, בתורו, מגביר את צמיחת הצומח, שיכולה למצות את כל החמצן במים ולהרוג כל חיי בעלי חיים.

גם לאחר עשיית נייר, השימוש בו פוגע בסביבה. הובלת נייר מהמקום בו הוא נוצר למקום בו משתמשים בו מייצרת זיהום אוויר. וייצור ושימוש בדיו וטונר פוגעים גם בסביבה, על ידי זיהום מים, הרעלת אדמה והשמדת בתי הגידול הטבעיים של חיות הבר.

השיטה שלנו משתמשת במרכיבים לא רעילים ומאפשרת שימוש חוזר בנייר חוזר, ובכך מפחיתה את ההשפעות הסביבתיות.

החלפת צבעים

בפיתוח ציפוי לנייר, חשוב למצוא אחד שקוף אך יכול לשנות צבע למשהו גלוי - ובחזרה. ככה, כל טקסט או תמונות ניתנים לקריאה כמו על נייר רגיל, אך גם למחוק אותם בקלות.

השיטה שלנו משלבת חלקיקים של חלקיקים - חלקיקים בגודל 1 עד 100 ננומטר - של שני חומרים שונים שיכולים להשתנות מבהירים לגלויים ושוב. החומר הראשון הוא כחול פרוסי, פיגמנט כחול נפוץ המוכר ביותר כצבע הכחול בתכניות אדריכליות או דיו. חלקיקי ננו-כחול פרוסיים נראים בדרך כלל כחולים, כמובן, אך יכולים להפוך לחסרי צבע כאשר הם מסופקים עם אלקטרונים נוספים.

החומר השני הנו חלקיקים של טיטניום דו חמצני. כאשר הם נחשפים לאור אולטרה סגול, הם משחררים את האלקטרונים אותם צריך הכחול הפרוסי כדי להפוך ללא צבע.

הטכניקה שלנו משלבת שני חלקיקים אלה לציפוי מוצק על נייר קונבנציונאלי. (ניתן ליישם אותו גם על מוצקים אחרים, כולל יריעות פלסטיק ומגלשות זכוכית.) כאשר אנו מאירים אור אולטרה סגול על הנייר המצופה, דו תחמוצת הטיטניום מייצרת אלקטרונים. החלקיקים הכחולים הפרוסיים מרימים את האלקטרונים האלה ומשנים את צבעם מכחול לנקי.

ההדפסה יכולה להיעשות באמצעות מסכה שהיא גיליון פלסטיק ברור המודפס עם אותיות ותבניות בשחור. הנייר מתחיל כחול לחלוטין. כאשר אור UV עובר דרך האזורים הריקים על המסכה, הוא משנה את האזורים המתאימים על הנייר שמתחת ללבן, ומשכפל את המידע מהמסכה לנייר. ההדפסה מהירה ונמשכת מספר שניות בלבד.

הרזולוציה גבוהה מאוד: היא יכולה לייצר דפוסים זעירים כמו 10 מיקרומטר, קטנים פי 10 ממה שהעיניים שלנו יכולות לראות. העיתון יישאר קריא יותר מחמישה ימים. הקריאות שלו תבדל לאט לאט, שכן החמצן באוויר לוקח אלקטרונים מהננו-חלקיקים הכחולים הפרוסיים ולהחזיר אותם לכחול. ניתן לבצע את ההדפסה באמצעות קרן לייזר, הסורקת את פני הנייר וחושפת את האזורים שצריכים להיות לבנים, באופן הדומה לאופן פעולתם של מדפסות הלייזר של ימינו.

קל למחוק דף: חימום הנייר והסרט לכ- 120 מעלות צלזיוס (250 מעלות פרנהייט) מזרז את תגובת החמצון, ומחוק את התוכן המודפס לחלוטין תוך כעשר דקות. טמפרטורה זו נמוכה בהרבה מהטמפרטורה בה הנייר מתלקח, ולכן אין סכנת שריפה. הוא גם נמוך מהטמפרטורה הכרוכה במדפסות לייזר נוכחיות, שצריכות להגיע לכ -200 מעלות צלזיוס (392 מעלות פרנהייט) כדי להמיס באופן מיידי את הטונר על הנייר.

יציבות כימית משופרת

השימוש בכחול פרוסי כחלק מתהליך זה מציע מספר משמעותי של יתרונות. ראשית, הוא יציב מאוד מבחינה כימית. ניירות קודמים הניתנים לשחזור השתמשו בדרך כלל במולקולות אורגניות כחומרים לשינוי הצבע העיקרי, אך הם מתפרקים בקלות לאחר שנחשפו לאור UV במהלך ההדפסה. כתוצאה מכך הם לא מאפשרים מחזורי הדפסה ומחיקה רבים מאוד.

לעומת זאת, מולקולות כחולות פרוסיות נותרות בעינן שלמות גם לאחר חשיפה ארוכת טווח לאור אולטרה סגול. במעבדה שלנו הצלחנו לכתוב ולמחוק גיליון בודד יותר מ -80 פעמים מבלי להתבונן בשינויים לכאורה בעוצמת הצבע או במהירות המתג.

בנוסף, ניתן לשנות בקלות את הכחול הפרוסי לייצור צבעים שונים, ולכן כחול אינו האפשרות היחידה. אנו יכולים לשנות את המבנה הכימי של הפיגמנט, להחליף חלק מברזל שלו בנחושת ליצירת פיגמנט ירוק, או להחליף לחלוטין את הברזל בקובלט כדי להפוך חום. נכון לעכשיו אנו יכולים להדפיס בצבע אחד בלבד בכל פעם.

כשאנחנו מפתחים טכנולוגיה זו בהמשך, אנו מקווים להנגיש נייר שניתן לציין מחדש לשימושים רבים בהצגת מידע, במיוחד לשימושים זמניים כמו עיתונים, מגזינים וכרזות. שימושים אחרים נרחבים בייצור, טיפולי בריאות ואפילו ארגון פשוט כמו יצירת תוויות הניתנות לכתיבה מחדש.

זה כנראה לא ניתן לקוות לחברה נטולת נייר לחלוטין, אך אנו עובדים על עזרה לאנשים להשתמש בנייר הרבה פחות מכפי שהם עושים - ובקלות רבה לעשות בו שימוש חוזר כשהם מוכנים.

ידונג יין, פרופסור לכימיה, אוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד.