注意！無紙化社會即將來臨！

材料牛注：自東漢末年蔡倫老師發明造紙技術至今已經有兩千多年的歷史了，無數文明通過紙張被記錄下來并且傳播向遠方。但是在現代，造紙工業已經成為一種具有嚴重污染的行業，給環境帶來了惡劣的影響。到底在科學家的努力下我們能否實現無紙化社會呢，材料牛很是期待，你們呢？

自公元前100年誕生于中國以來，紙張作為傳播信息的媒介對人類文明的發展和傳播做出了巨大的貢獻。即使是在信息時代的今日，電子媒介遍布我們的家庭、辦公室甚至是我們的口袋，紙張依然還扮演著重要的角色。

我們的大腦對紀錄在紙張上的信息和屏幕上的信息的處理方式是有所區別的。呈現在紙張上的信息涉及到更多的情緒加工，因此會產生更多與內在感受相關的大腦反應，這就使得印制材料比數字媒體更加有效和可記憶。當然，到目前為止，紙張的使用依然非常普遍，全球的消費量也有望持續增長。

然而，紙張的使用不可避免帶來了嚴重的環境問題和可持續性問題。多年來，科學家們一直致力于開發一種閱讀媒介，這種媒介既具有傳統紙張的形式，又可以不需要工業回收就能再次打印。在所開發的媒介中，涂層紙是其中一個很好的選擇。這種涂層紙由一種化學薄膜組成，它通過利用光的照射改變顏色而達到信息媒介的功能。不過遺憾的是，之前科學家們的研究一直遇到兩個問題：材料的高成本和強毒性，保持可讀和可擦除重復利用方面的困難就更不用說了。

近日，我們在美國加州大學河濱分校的研究組和中國山東大學王文壽教授的研究組合作開發了一種可用于正規紙張的涂層材料，這種涂層材料無需墨水，可在光照下打印，而且可以被擦除和重復利用高達80次。這種涂層材料結合了兩種不同納米顆粒的功能，這些納米顆粒的尺寸比紙張厚度的十萬分之一還小，其中一種納米顆粒在光照下獲得能量，致使另一種納米顆粒發生顏色變化。我們的這些工作為可重復打印紙的開發邁出了重要的一步。

環境對紙張的影響

世界上35%的砍伐樹木被用來制造紙張和紙板。在世界范圍內，紙漿和造紙行業是第五大能源消耗行業，同樣生產一噸產品，該行業需要消耗更多的水資源。

紙漿的萃取不僅消耗了大量的能源，而且會產生像二惡英這樣的有毒化學物質。而且紙張的生產過程還會排放大量的富磷營養物質，這些物質被排放到水體中后，會使水生植物瘋長，消耗大量水體氧，從而導致大量水生動物死亡。

即使是在紙張被制造出來后，它對環境的間接危害還是存在的。紙張的運輸過程會產生空氣污染，配套的墨水和調色劑生產同樣會危害環境，譬如說污染水源，毒化土壤和破壞野生動物棲息地。

因此，我們所開發的無毒、可重復使用的紙張將有助于減少目前的環境問題，具有深遠的意義。

顏色切換

開發一種紙張涂層，最重要的是找到一種既透明又可以把顏色變為可視媒介的材料，而且它還能回到初始狀態。這樣的話，任何涂層上的文本或者圖像都可以像在普通紙張上那樣可讀，但是不同之處在于，涂層上的信息可以很容易就被擦除掉。

我們所開發的涂層結合了兩種不同的納米顆粒，這些納米顆粒的尺寸在1 nm到100 nm范圍內，它們可以從透明到可視再回到初始狀態。第一種材料是普魯士藍，它是一種類似于建筑設計圖或藍色墨水的藍色顏料。普魯士藍這種納米顆粒通常顯示為藍色，當然如果給這些納米顆粒注入額外的電子，它們也可以變得無色。

第二種材料是二氧化鈦納米顆粒。在紫外光的照射下，它會釋放致使普魯士藍變色所需的電子。

我們的技術把這兩種納米顆粒混合成一種固態物質，然后旋涂在普通紙張上。（當然，也可以把它旋涂在其它固態材料上，譬如說塑料片和玻璃幻燈片。）當我們把這種涂層紙暴露在紫外光下時，二氧化鈦納米顆粒將產生電子，而普魯士藍則會收集這些電子其顏色從藍色變為無色。

整個打印過程可以通過利用一個有黑色字符和圖案的透明塑料片掩膜版來實現。一開始，涂層紙全部顯示為藍色，當紫外光通過掩膜版的空白處時，底部涂層紙上相應的區域的顏色將會變成白色，從而把掩膜版上的信息復制到涂層紙上。整個打印過程非常快，所需時間不過數秒。

而且，這種技術的分辨率同樣非常高，它可以打印尺寸小于10微米的圖案，而這個尺寸已經比我們人眼可視的尺寸小十倍了。這種涂層紙可以保持超過五天時間可閱讀，但它的可讀性會隨著空氣中的氧氣把普魯士藍中的電子奪走而緩慢退化，最終變回全藍色。另外整個打印過程也可以通過激光束來實現，當激光束掃過涂層紙的表面時，暴露在激光下的區域就會變成白色，這種方式跟目前市場上的激光打印技術有很多相似之處。

擦除一頁紙同樣非常簡單：把涂層紙加熱到120攝氏度（華氏250度）加速氧化反應，十分鐘之內即可全部擦除所有打印的內容。這個溫度遠低于紙張的燃點，因此無需擔心著火。這個溫度也同樣比目前激光打印機的溫度低，激光打印機需要加熱到200攝氏度（華氏392度）才能融化碳粉而達到轉移至紙張上的目的。

改善化學穩定性

利用普魯士藍作為整個打印過程的一部分為打印提供了大量的優勢。首先這種材料的化學性質是非常穩定的，而先前用于可重寫的紙張通常用的是有機分子作為變色材料，這種有機分子會在打印過程中因為暴露在紫外光下而導致分解。因此，這種有機分子材料的打印和擦除循環利用次數很有限。

作為對比，普魯士藍分子可以在長時間紫外曝光的情況下保持完整。在我們的實驗室中，已經在涂層紙上實現了80次寫入和擦除而顏色的強度沒有發生明顯的變化，顏色切換速度也同樣保持不變。

另外，普魯士藍可以輕易通過修飾來實現不同的顏色，而不單單只有藍色。我們可以改變顏料的化學結構，用銅取代顏料中的部分鐵來產生綠色，或者用鈷來取代全部鐵產生棕色。不過目前我們一次只能打印一種顏色。

隨著我們對這項技術的進一步研究，我們希望所制備的涂層紙可應用于信息的顯示，尤其是像報紙、雜志和海報這些短暫使用的媒介。其他應用則可擴展到制造業，醫療保健甚至是一些簡單的方面，譬如制造可重復寫入的標簽。

當然，實現無紙化社會幾乎不大可能，但我們工作的意義就在于幫助人類更少地利用紙張，而且有朝一日讓這些紙張更容易被重復利用。

文獻鏈接：Reprintable Paper Becomes a Reality

本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，蘇龍興編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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