注意！无纸化社会即将来临！

材料牛注：自东汉末年蔡伦老师发明造纸技术至今已经有两千多年的历史了，无数文明通过纸张被记录下来并且传播向远方。但是在现代，造纸工业已经成为一种具有严重污染的行业，给环境带来了恶劣的影响。到底在科学家的努力下我们能否实现无纸化社会呢，材料牛很是期待，你们呢？

自公元前100年诞生于中国以来，纸张作为传播信息的媒介对人类文明的发展和传播做出了巨大的贡献。即使是在信息时代的今日，电子媒介遍布我们的家庭、办公室甚至是我们的口袋，纸张依然还扮演着重要的角色。

我们的大脑对纪录在纸张上的信息和屏幕上的信息的处理方式是有所区别的。呈现在纸张上的信息涉及到更多的情绪加工，因此会产生更多与内在感受相关的大脑反应，这就使得印制材料比数字媒体更加有效和可记忆。当然，到目前为止，纸张的使用依然非常普遍，全球的消费量也有望持续增长。

然而，纸张的使用不可避免带来了严重的环境问题和可持续性问题。多年来，科学家们一直致力于开发一种阅读媒介，这种媒介既具有传统纸张的形式，又可以不需要工业回收就能再次打印。在所开发的媒介中，涂层纸是其中一个很好的选择。这种涂层纸由一种化学薄膜组成，它通过利用光的照射改变颜色而达到信息媒介的功能。不过遗憾的是，之前科学家们的研究一直遇到两个问题：材料的高成本和强毒性，保持可读和可擦除重复利用方面的困难就更不用说了。

近日，我们在美国加州大学河滨分校的研究组和中国山东大学王文寿教授的研究组合作开发了一种可用于正规纸张的涂层材料，这种涂层材料无需墨水，可在光照下打印，而且可以被擦除和重复利用高达80次。这种涂层材料结合了两种不同纳米颗粒的功能，这些纳米颗粒的尺寸比纸张厚度的十万分之一还小，其中一种纳米颗粒在光照下获得能量，致使另一种纳米颗粒发生颜色变化。我们的这些工作为可重复打印纸的开发迈出了重要的一步。

环境对纸张的影响

世界上35%的砍伐树木被用来制造纸张和纸板。在世界范围内，纸浆和造纸行业是第五大能源消耗行业，同样生产一吨产品，该行业需要消耗更多的水资源。

纸浆的萃取不仅消耗了大量的能源，而且会产生像二恶英这样的有毒化学物质。而且纸张的生产过程还会排放大量的富磷营养物质，这些物质被排放到水体中后，会使水生植物疯长，消耗大量水体氧，从而导致大量水生动物死亡。

即使是在纸张被制造出来后，它对环境的间接危害还是存在的。纸张的运输过程会产生空气污染，配套的墨水和调色剂生产同样会危害环境，譬如说污染水源，毒化土壤和破坏野生动物栖息地。

因此，我们所开发的无毒、可重复使用的纸张将有助于减少目前的环境问题，具有深远的意义。

颜色切换

开发一种纸张涂层，最重要的是找到一种既透明又可以把颜色变为可视媒介的材料，而且它还能回到初始状态。这样的话，任何涂层上的文本或者图像都可以像在普通纸张上那样可读，但是不同之处在于，涂层上的信息可以很容易就被擦除掉。

我们所开发的涂层结合了两种不同的纳米颗粒，这些纳米颗粒的尺寸在1 nm到100 nm范围内，它们可以从透明到可视再回到初始状态。第一种材料是普鲁士蓝，它是一种类似于建筑设计图或蓝色墨水的蓝色颜料。普鲁士蓝这种纳米颗粒通常显示为蓝色，当然如果给这些纳米颗粒注入额外的电子，它们也可以变得无色。

第二种材料是二氧化钛纳米颗粒。在紫外光的照射下，它会释放致使普鲁士蓝变色所需的电子。

我们的技术把这两种纳米颗粒混合成一种固态物质，然后旋涂在普通纸张上。（当然，也可以把它旋涂在其它固态材料上，譬如说塑料片和玻璃幻灯片。）当我们把这种涂层纸暴露在紫外光下时，二氧化钛纳米颗粒将产生电子，而普鲁士蓝则会收集这些电子其颜色从蓝色变为无色。

整个打印过程可以通过利用一个有黑色字符和图案的透明塑料片掩膜版来实现。一开始，涂层纸全部显示为蓝色，当紫外光通过掩膜版的空白处时，底部涂层纸上相应的区域的颜色将会变成白色，从而把掩膜版上的信息复制到涂层纸上。整个打印过程非常快，所需时间不过数秒。

而且，这种技术的分辨率同样非常高，它可以打印尺寸小于10微米的图案，而这个尺寸已经比我们人眼可视的尺寸小十倍了。这种涂层纸可以保持超过五天时间可阅读，但它的可读性会随着空气中的氧气把普鲁士蓝中的电子夺走而缓慢退化，最终变回全蓝色。另外整个打印过程也可以通过激光束来实现，当激光束扫过涂层纸的表面时，暴露在激光下的区域就会变成白色，这种方式跟目前市场上的激光打印技术有很多相似之处。

擦除一页纸同样非常简单：把涂层纸加热到120摄氏度（华氏250度）加速氧化反应，十分钟之内即可全部擦除所有打印的内容。这个温度远低于纸张的燃点，因此无需担心着火。这个温度也同样比目前激光打印机的温度低，激光打印机需要加热到200摄氏度（华氏392度）才能融化碳粉而达到转移至纸张上的目的。

改善化学稳定性

利用普鲁士蓝作为整个打印过程的一部分为打印提供了大量的优势。首先这种材料的化学性质是非常稳定的，而先前用于可重写的纸张通常用的是有机分子作为变色材料，这种有机分子会在打印过程中因为暴露在紫外光下而导致分解。因此，这种有机分子材料的打印和擦除循环利用次数很有限。

作为对比，普鲁士蓝分子可以在长时间紫外曝光的情况下保持完整。在我们的实验室中，已经在涂层纸上实现了80次写入和擦除而颜色的强度没有发生明显的变化，颜色切换速度也同样保持不变。

另外，普鲁士蓝可以轻易通过修饰来实现不同的颜色，而不单单只有蓝色。我们可以改变颜料的化学结构，用铜取代颜料中的部分铁来产生绿色，或者用钴来取代全部铁产生棕色。不过目前我们一次只能打印一种颜色。

随着我们对这项技术的进一步研究，我们希望所制备的涂层纸可应用于信息的显示，尤其是像报纸、杂志和海报这些短暂使用的媒介。其他应用则可扩展到制造业，医疗保健甚至是一些简单的方面，譬如制造可重复写入的标签。

当然，实现无纸化社会几乎不大可能，但我们工作的意义就在于帮助人类更少地利用纸张，而且有朝一日让这些纸张更容易被重复利用。

文献链接：Reprintable Paper Becomes a Reality

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，苏龙兴编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷。