纸科技：消灭纸张的可能不是电子屏幕，而是这种可反复擦写的纸

 

 

　　这有可能改变人类的阅读方式吗？

 

　　随着互联网技术的不断发展，电子媒体正在不断地侵蚀着传统纸质媒体的市场，报刊、杂志、书籍等行业的发展也日益艰难。但即便如此，纸张仍然是我们生活中不可或缺的一部分。最近，科学家们研发出了一种新的涂层使纸张重复书写成为了可能。

 

　　公元前约一百年，中国发明了纸。此后，纸作为传播信息的材料为文明的发展和传播做出了巨大贡献。在当今的信息时代，即便电子媒体无处不在地出现在家里、办公室里以及甚至我们的兜里，纸仍然发挥着重要的作用。

 

　　我们的大脑在纸和在屏幕上处理信息的方式是不同的。在纸上展现的信息涉及到更多的情绪性加工，阅读纸质文字人们能够产生出更多的与内心感受相连的大脑反应。这使印刷材料比数字媒体更有效且令人难忘。当然，纸仍然在被普遍使用，并且其全球消费量预计还将增长。

 

　　但是纸的使用会带来重大的环境和可持续性问题。多年来，科学家们致力于开发拥有传统纸张的格式的阅读媒体，这种新型纸张可以被重复打印，不需要先去进行工业回收。有一个方法似乎很有前景，就是将一种遇光会变色的化学物质薄薄地涂在纸上。但是这个努力遇到了一些问题，如高成本和高毒性——更不用说保持可阅读性以及被抹去后重新使用的难度了。

 

　　我在加州大学河滨分校的研究小组与中国山东大学的WenshouWang进行了合作，最近开发出了一种用于常规纸张的新的涂层，它不需要墨水并且能够在光下打印，擦拭和重复使用超过八十次。这个涂层结合了两种类型的纳米粒子，其中一种粒子比一张纸还要薄十万倍；另一种粒子能够从光中获取能量然后启动另一种颜色变化。这代表着可重复打印的纸张的开发迈出了重要的一步。

 

　　纸所带来的环境影响

 

　　世界上所有被砍伐的树木的大约百分之三十五被用来制造纸张和纸板。全球范围来看，纸浆和造纸行业是第五大能源消耗产业，这些行业每生产一吨产品所使用的水要比其他任何行业都多。

 

　　提取纸浆消耗了大量的能源，并且会用到危险的化学物质，如二恶英（Dioxin）。纸的生产会导致养分磷的排放。而这反过来会促进植物的生长，从而消耗光水中所有的氧气，最后导致水中的动物死亡。

 

　　即使在纸制作完成后，它的使用也会对环境造成损害。将纸从制造它的地方运输到使用它的地方是会产生空气污染的。并且制造和使用墨水及墨粉同样会破坏环境，它会污染水资源、污染土壤并且破坏生物的自然栖息地。

 

　　我们的方法使用了无毒成分并且让反复使用纸变得可能，从而减少了对环境的影响。

 

　　变换颜色

 

　　在开发纸的涂层的过程中，重要的是找到一个透明但是可以变换颜色、并且能再变回去的涂层。这样，任何文本和图像都会像出现在普通的纸上一样让我们进行阅读，并且还很容易抹去。

 

　　我们的方法结合了纳米颗粒——大小在一到一百纳米之间的粒子——两种材料可以实现从无色到有色的变换，并且还能再变回来。第一个材料是普鲁士蓝，一种被广泛使用的蓝色色素，因常被用于建筑蓝图或油墨上而被人熟知。普鲁士蓝纳米颗粒通常显蓝色，但是当提供额外的电子时它可以变成无色。

 

　　第二个材料是二氧化钛纳米颗粒。当暴露于紫外线下时，它们会释放普鲁士蓝转为无色时所需要的电子。

 

　　我们的技术将这两种纳米颗粒结合在了传统纸张上的一层固态涂层中。（它也可以应用于其他固体，包括塑料板材和载玻片。）当紫外线照射到涂有涂层的纸上，二氧化钛就会产生电子。普鲁士蓝粒子收集这些电子，然后将颜色从蓝色变为无色。

 

　　印刷可以通过一个遮罩完成，它是一个印有黑色字母和图案的无色的塑料薄膜。纸张一开始完全是蓝色的。当紫外线经过遮罩上的空白区域时，它会改变纸上相应的区域使其变为白色，将遮罩上的信息复制到纸上。印刷过程很快，仅需几秒钟就能完成。

 

　　分辨率是极高的：它可以产生小至十微米的图案，这比我们肉眼能看到的要小十倍。纸会保持可读性超过五天。之后其可读性会慢慢降低，因为空气中的氧气会带走普鲁士蓝纳米颗粒上的电子，然后将它们变回蓝色。印刷还可以通过激光完成，扫描整张纸的表面然后将应该变白的地方暴露在外，这和现在的激光打印机的工作原理相似。

 

　　擦除一个页面是很容易的：将纸和薄膜加热到大约一百二十摄氏度（二百五十华氏度），加速氧化反应，大约十分钟内就可以完全消除印刷的内容。这个温度要远低于纸的燃点，所以不会有火灾的危险。它比当今的激光打印机所涉及到的温度还要低，激光打印机需要达到大约二百摄氏度（三百九十二华氏度）来让碳粉快速熔化到纸上。

 

　　改良的化学稳定性

 

　　使用普鲁士蓝作为此过程的一部分提供了很多优势。首先，它有高度的化学稳定性。以前可重写的纸张通常使用有机分子作为主要变色材料，但是它们在印刷过程中遇光会容易分解。结果是，它们并不能被循环印刷和擦除很多次。

 

　　相比之下，普鲁士蓝粒子在长时间暴露于紫外线下的情况下，仍能保持完好无损。在我们的实验室中，我们已经可以在一张纸上写和擦除超过八十次，并且没有看到任何颜色的亮度或者转换的速度有明显的变化。

 

　　此外，普鲁士蓝易于修改，能产出不同的颜色，所以蓝色不是唯一的选择。我们可以改变色素的化学结构，将一些铁替换成铜来制造绿色颜料，或将整个铁都替换成钴来产生棕色颜料。现在，我们每次只能使用一种颜色。

 

　　当我们进一步开发这个技术的时候，我们希望可重复写的纸张可以用于显示信息，特别是作为报纸、杂志和海报等时效性较短的阅读工具的材料。此外，这一技术的用途还可以扩展到制造业、医疗保健业，甚至可以被用于制作可重复写的标签。

 

　　完全不使用普通纸张并不现实，但我们希望帮助人们大大地减少纸的用量。