消滅紙張的可能不是電子屏幕,而是這種可反複擦寫的紙丨潮科技

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這是36氪推出的晨間欄目「潮科技」。我們將篩選國內外科技公司的最新技術、潛力公司的酷產品、在實驗室茁壯成長的新概念展現給大家。潮科技,又潮又有趣。

這有可能改變人類的閱讀方式嗎?

來源 | 蟲洞翻翻

譯者 | 蓋里君

編輯 | 郝鵬程

隨著互聯網技術的不斷發展,電子媒體正在不斷地侵蝕著傳統紙質媒體的市場,報刊、雜誌、書籍等行業的發展也日益艱難。但即便如此,紙張仍然是我們生活中不可或缺的一部分。最近,科學家們研發出了一種新的塗層使紙張重複書寫成為了可能。

公元前約一百年,中國發明了紙。此後,紙作為傳播信息的材料為文明的發展和傳播做出了巨大貢獻。在當今的信息時代,即便電子媒體無處不在地出現在家里、辦公室里以及甚至我們的兜里,紙仍然發揮著重要的作用。

我們的大腦在紙和在屏幕上處理信息的方式是不同的。在紙上展現的信息涉及到更多的情緒性加工,閱讀紙質文字人們能夠產生出更多的與內心感受相連的大腦反應。這使印刷材料比數字媒體更有效且令人難忘。當然,紙仍然在被普遍使用,並且其全球消費量預計還將增長。

但是紙的使用會帶來重大的環境和可持續性問題。多年來,科學家們致力於開發擁有傳統紙張的格式的閱讀媒體,這種新型紙張可以被重複打印,不需要先去進行工業回收。有一個方法似乎很有前景,就是將一種遇光會變色的化學物質薄薄地塗在紙上。但是這個努力遇到了一些問題,如高成本和高毒性——更不用說保持可閱讀性以及被抹去後重新使用的難度了。

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我在加州大學河濱分校的研究小組與中國山東大學的Wenshou Wang進行了合作,最近開發出了一種用於常規紙張的新的塗層,它不需要墨水並且能夠在光下打印,擦拭和重複使用超過八十次。這個塗層結合了兩種類型的納米粒子,其中一種粒子比一張紙還要薄十萬倍;另一種粒子能夠從光中獲取能量然後啟動另一種顏色變化。這代表著可重複打印的紙張的開發邁出了重要的一步。

  紙所帶來的環境影響

世界上所有被砍伐的樹木的大約百分之三十五被用來製造紙張和紙板。全球範圍來看,紙漿和造紙行業是第五大能源消耗產業,這些行業每生產一噸產品所使用的水要比其他任何行業都多。

提取紙漿消耗了大量的能源,並且會用到危險的化學物質,如二惡英(Dioxin)。紙的生產會導致養分磷的排放。而這反過來會促進植物的生長,從而消耗光水中所有的氧氣,最後導致水中的動物死亡。

即使在紙製作完成後,它的使用也會對環境造成損害。將紙從製造它的地方運輸到使用它的地方是會產生空氣汙染的。並且製造和使用墨水及墨粉同樣會破壞環境,它會汙染水資源、汙染土壤並且破壞生物的自然棲息地。

我們的方法使用了無毒成分並且讓反複使用紙變得可能,從而減少了對環境的影響。

  變換顏色

在開發紙的塗層的過程中,重要的是找到一個透明但是可以變換顏色、並且能再變回去的塗層。這樣,任何文本和圖像都會像出現在普通的紙上一樣讓我們進行閱讀,並且還很容易抹去。

我們的方法結合了納米顆粒——大小在一到一百納米之間的粒子——兩種材料可以實現從無色到有色的變換,並且還能再變回來。第一個材料是普魯士藍,一種被廣泛使用的藍色色素,因常被用於建築藍圖或油墨上而被人熟知。普魯士藍納米顆粒通常顯藍色,但是當提供額外的電子時它可以變成無色。

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第二個材料是二氧化鈦納米顆粒。當暴露於紫外線下時,它們會釋放普魯士藍轉為無色時所需要的電子。

我們的技術將這兩種納米顆粒結合在了傳統紙張上的一層固態塗層中。(它也可以應用於其他固體,包括塑料板材和載玻片。)當紫外線照射到塗有塗層的紙上,二氧化鈦就會產生電子。普魯士藍粒子收集這些電子,然後將顏色從藍色變為無色。

印刷可以通過一個遮罩完成,它是一個印有黑色字母和圖案的無色的塑料薄膜。紙張一開始完全是藍色的。當紫外線經過遮罩上的空白區域時,它會改變紙上相應的區域使其變為白色,將遮罩上的信息複製到紙上。印刷過程很快,僅需幾秒鍾就能完成。

分辨率是極高的:它可以產生小至十微米的圖案,這比我們肉眼能看到的要小十倍。紙會保持可讀性超過五天。之後其可讀性會慢慢降低,因為空氣中的氧氣會帶走普魯士藍納米顆粒上的電子,然後將它們變回藍色。印刷還可以通過激光完成,掃描整張紙的表面然後將應該變白的地方暴露在外,這和現在的激光打印機的工作原理相似。

擦除一個頁面是很容易的:將紙和薄膜加熱到大約一百二十攝氏度(二百五十華氏度),加速氧化反應,大約十分鍾內就可以完全消除印刷的內容。這個溫度要遠低於紙的燃點,所以不會有火災的危險。它比當今的激光打印機所涉及到的溫度還要低,激光打印機需要達到大約二百攝氏度(三百九十二華氏度)來讓碳粉快速熔化到紙上。

  改良的化學穩定性

使用普魯士藍作為此過程的一部分提供了很多優勢。首先,它有高度的化學穩定性。以前可重寫的紙張通常使用有機分子作為主要變色材料,但是它們在印刷過程中遇光會容易分解。結果是,它們並不能被循環印刷和擦除很多次。

相比之下,普魯士藍粒子在長時間暴露於紫外線下的情況下,仍能保持完好無損。在我們的實驗室中,我們已經可以在一張紙上寫和擦除超過八十次,並且沒有看到任何顏色的亮度或者轉換的速度有明顯的變化。

此外,普魯士藍易於修改,能產出不同的顏色,所以藍色不是唯一的選擇。我們可以改變色素的化學結構,將一些鐵替換成銅來製造綠色顏料,或將整個鐵都替換成鈷來產生棕色顏料。現在,我們每次隻能使用一種顏色。

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當我們進一步開發這個技術的時候,我們希望可重複寫的紙張可以用於顯示信息,特別是作為報紙、雜誌和海報等時效性較短的閱讀工具的材料。此外,這一技術的用途還可以擴展到製造業、醫療保健業,甚至可以被用於製作可重複寫的標簽。

完全不使用普通紙張並不現實,但我們希望幫助人們大大地減少紙的用量。

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