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這有可能改變?nèi)祟惖拈喿x方式嗎？
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子媒體正在不斷地侵蝕著傳統(tǒng)紙質(zhì)媒體的市場，報(bào)刊、雜志、書籍等行業(yè)的發(fā)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(xué)家們研發(fā)出了一種新的涂層使紙張重復(fù)書寫成為了可能。
公元前約一百年，中國發(fā)明了紙。此后，紙作為傳播信息的材料為文明的發(fā)展和傳播做出了巨大貢獻(xiàn)。在當(dāng)今的信息時(shí)代，即便電子媒體無處不在地出現(xiàn)在家里、辦公室里以及甚至我們的兜里，紙仍然發(fā)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(xiàn)的信息涉及到更多的情緒性加工，閱讀紙質(zhì)文字人們能夠產(chǎn)生出更多的與內(nèi)心感受相連的大腦反應(yīng)。這使印刷材料比數(shù)字媒體更有效且令人難忘。當(dāng)然，紙仍然在被普遍使用，并且其全球消費(fèi)量預(yù)計(jì)還將增長。
但是紙的使用會(huì)帶來重大的環(huán)境和可持續(xù)性問題。多年來，科學(xué)家們致力于開發(fā)擁有傳統(tǒng)紙張的格式的閱讀媒體，這種新型紙張可以被重復(fù)打印，不需要先去進(jìn)行工業(yè)回收。有一個(gè)方法似乎很有前景，就是將一種遇光會(huì)變色的化學(xué)物質(zhì)薄薄地涂在紙上。但是這個(gè)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后重新使用的難度了。
我在加州大學(xué)河濱分校的研究小組與中國山東大學(xué)的WenshouWang進(jìn)行了合作，最近開發(fā)出了一種用于常規(guī)紙張的新的涂層，它不需要墨水并且能夠在光下打印，擦拭和重復(fù)使用超過八十次。這個(gè)涂層結(jié)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后啟動(dòng)另一種顏色變化。這代表著可重復(fù)打印的紙張的開發(fā)邁出了重要的一步。
紙所帶來的環(huán)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制造紙張和紙板。全球范圍來看，紙漿和造紙行業(yè)是第五大能源消耗產(chǎn)業(yè)，這些行業(yè)每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品所使用的水要比其他任何行業(yè)都多。
提取紙漿消耗了大量的能源，并且會(huì)用到危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)，如二惡英（Dioxin）。紙的生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分磷的排放。而這反過來會(huì)促進(jìn)植物的生長，從而消耗光水中所有的氧氣，最后導(dǎo)致水中的動(dòng)物死亡。
即使在紙制作完成后，它的使用也會(huì)對環(huán)境造成損害。將紙從制造它的地方運(yùn)輸?shù)绞褂盟牡胤绞菚?huì)產(chǎn)生空氣污染的。并且制造和使用墨水及墨粉同樣會(huì)破壞環(huán)境，它會(huì)污染水資源、污染土壤并且破壞生物的自然棲息地。
我們的方法使用了無毒成分并且讓反復(fù)使用紙變得可能，從而減少了對環(huán)境的影響。
變換顏色
在開發(fā)紙的涂層的過程中，重要的是找到一個(gè)透明但是可以變換顏色、并且能再變回去的涂層。這樣，任何文本和圖像都會(huì)像出現(xiàn)在普通的紙上一樣讓我們進(jìn)行閱讀，并且還很容易抹去。
我們的方法結(jié)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(shí)現(xiàn)從無色到有色的變換，并且還能再變回來。第一個(gè)材料是普魯士藍(lán)，一種被廣泛使用的藍(lán)色色素，因常被用于建筑藍(lán)圖或油墨上而被人熟知。普魯士藍(lán)納米顆粒通常顯藍(lán)色，但是當(dāng)提供額外的電子時(shí)它可以變成無色。
第二個(gè)材料是二氧化鈦納米顆粒。當(dāng)暴露于紫外線下時(shí)，它們會(huì)釋放普魯士藍(lán)轉(zhuǎn)為無色時(shí)所需要的電子。
我們的技術(shù)將這兩種納米顆粒結(jié)合在了傳統(tǒng)紙張上的一層固態(tài)涂層中。（它也可以應(yīng)用于其他固體，包括塑料板材和載玻片。）當(dāng)紫外線照射到涂有涂層的紙上，二氧化鈦就會(huì)產(chǎn)生電子。普魯士藍(lán)粒子收集這些電子，然后將顏色從藍(lán)色變?yōu)闊o色。
印刷可以通過一個(gè)遮罩完成，它是一個(gè)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(lán)色的。當(dāng)紫外線經(jīng)過遮罩上的空白區(qū)域時(shí)，它會(huì)改變紙上相應(yīng)的區(qū)域使其變?yōu)榘咨?，將遮罩上的信息?fù)制到紙上。印刷過程很快，僅需幾秒鐘就能完成。
分辨率是極高的：它可以產(chǎn)生小至十微米的圖案，這比我們?nèi)庋勰芸吹降囊∈?。紙?huì)保持可讀性超過五天。之后其可讀性會(huì)慢慢降低，因?yàn)榭諝庵械难鯕鈺?huì)帶走普魯士藍(lán)納米顆粒上的電子，然后將它們變回藍(lán)色。印刷還可以通過激光完成，掃描整張紙的表面然后將應(yīng)該變白的地方暴露在外，這和現(xiàn)在的激光打印機(jī)的工作原理相似。
擦除一個(gè)頁面是很容易的：將紙和薄膜加熱到大約一百二十?dāng)z氏度（二百五十華氏度），加速氧化反應(yīng)，大約十分鐘內(nèi)就可以完全消除印刷的內(nèi)容。這個(gè)溫度要遠(yuǎn)低于紙的燃點(diǎn)，所以不會(huì)有火災(zāi)的危險(xiǎn)。它比當(dāng)今的激光打印機(jī)所涉及到的溫度還要低，激光打印機(jī)需要達(dá)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(xué)穩(wěn)定性
使用普魯士藍(lán)作為此過程的一部分提供了很多優(yōu)勢。首先，它有高度的化學(xué)穩(wěn)定性。以前可重寫的紙張通常使用有機(jī)分子作為主要變色材料，但是它們在印刷過程中遇光會(huì)容易分解。結(jié)果是，它們并不能被循環(huán)印刷和擦除很多次。
相比之下，普魯士藍(lán)粒子在長時(shí)間暴露于紫外線下的情況下，仍能保持完好無損。在我們的實(shí)驗(yàn)室中，我們已經(jīng)可以在一張紙上寫和擦除超過八十次，并且沒有看到任何顏色的亮度或者轉(zhuǎn)換的速度有明顯的變化。
此外，普魯士藍(lán)易于修改，能產(chǎn)出不同的顏色，所以藍(lán)色不是唯一的選擇。我們可以改變色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，將一些鐵替換成銅來制造綠色顏料，或?qū)⒄麄€(gè)鐵都替換成鈷來產(chǎn)生棕色顏料?，F(xiàn)在，我們每次只能使用一種顏色。
當(dāng)我們進(jìn)一步開發(fā)這個(gè)技術(shù)的時(shí)候，我們希望可重復(fù)寫的紙張可以用于顯示信息，特別是作為報(bào)紙、雜志和海報(bào)等時(shí)效性較短的閱讀工具的材料。此外，這一技術(shù)的用途還可以擴(kuò)展到制造業(yè)、醫(yī)療保健業(yè)，甚至可以被用于制作可重復(fù)寫的標(biāo)簽。
完全不使用普通紙張并不現(xiàn)實(shí)，但我們希望幫助人們大大地減少紙的用量。
