中国での紀元前100年頃の発明以来、情報を広めるための資料としての紙は文明の発展と普及に大きく貢献してきました。 家庭、オフィス、さらにはポケットに電子メディアが遍在する今日の情報化時代においても、紙は依然として重要な役割を果たしています。
私たちの脳は、紙上と画面上で異なる方法で情報を処理します。 紙に提示される情報は、より感情的な処理を伴い、内的感情に関連するより多くの脳反応を生み出します。 これにより、印刷物をデジタルメディアよりも効果的で覚えやすくすることができます。 もちろん、紙はまだ一般的に使用されており、世界的な消費量の増加が予想されます。
しかし、紙の使用には、重大な環境および持続可能性の問題が伴います。 科学者は長年にわたり、従来の用紙の形式を備えているが、最初に工業的にリサイクルする必要なく再印刷できるリーディングメディアの開発に取り組んできました。 有望な選択肢の1つは、光にさらされると色が変わる化学物質の薄膜で紙をコーティングすることです。 しかし、以前の取り組みでは、高コストや高毒性などの問題に直面していました。もちろん、読みやすくすることと再利用のために消去することの両方の難しさもありました。
カリフォルニア大学リバーサイドの私の研究グループは、中国山東大学のWenshou Wangと共同で、インクを必要とせず、光で印刷、消去、再利用できる80以上の普通紙用の新しいコーティングを最近開発しました回。 このコーティングは、2種類のナノ粒子の機能を組み合わせたもので、粒子は紙の100, 000倍の薄さです。 一方の粒子は光からエネルギーを得て、もう一方の色の変化を開始します。 これは、再印刷可能な紙の開発に向けた重要なステップです。
紙の環境への影響
世界のすべての収穫された木の約35パーセントは、紙と厚紙の製造に使用されています。 世界的に、紙パルプ産業はエネルギーの5番目に大きな消費者であり、他のどの産業よりも多くの水を使用して大量の製品を生産しています。
パルプの抽出には大量のエネルギーが消費され、ダイオキシンなどの危険な化学物質が含まれる場合があります。 製紙の結果、栄養リンが放出されます。 その結果、植物の成長が促進され、水中の酸素がすべて消費され、動物の命が奪われます。
紙が作られた後でも、その使用は環境を破壊します。 製紙された場所から使用された場所まで紙を輸送すると、大気汚染が発生します。 また、インクとトナーを使用することは、水を汚染し、土壌を汚染し、野生生物の自然の生息地を破壊することにより、環境を害します。
私たちの方法は、非毒性成分を使用し、紙の繰り返し再利用を可能にし、それにより環境への影響を低減します。
色を切り替える
紙用のコーティングを開発する際には、透明であるが目に見えるものに色を変えることができるものを見つけることが重要です。 そうすれば、通常の紙のようにテキストや画像を読むことができますが、簡単に消去することもできます。
私たちの方法は、透明から可視へ、そして再び戻ることができる2つの異なる材料のナノ粒子（サイズが1〜100ナノメートルの粒子）を組み合わせます。 最初の材料はプルシアンブルーで、建築設計図またはインクの青色として最もよく知られている広く使用されている青色顔料です。 プルシアンブルーのナノ粒子は、通常は青く見えますが、追加の電子が供給されると無色になります。
2番目の材料は二酸化チタンのナノ粒子です。 紫外線にさらされると、プルシアンブルーが無色になるために必要な電子を放出します。
私たちの技術は、これら2つのナノ粒子を組み合わせて、従来の紙の固体コーティングにします。 （プラスチックシートやスライドガラスなど、他の固体にも適用できます。）コート紙に紫外線を当てると、二酸化チタンが電子を生成します。 プルシアンブルーの粒子はそれらの電子を拾い、色を青から透明に変えます。
印刷はマスクを介して行うことができます。マスクは、黒の文字とパターンが印刷された透明なプラスチックシートです。 紙は完全に青から始まります。 UV光がマスクの空白の領域を通過すると、その下の紙の対応する領域が白に変わり、マスクから紙に情報が複製されます。 印刷は高速で、完了するのに数秒しかかかりません。
解像度は非常に高く、目で見ることができるよりも10倍小さい10マイクロメートルという小さなパターンを生成できます。 論文は5日間以上読み取り可能です。 空気中の酸素がプルシアンブルーのナノ粒子から電子を取り出して青に戻すため、その可読性は徐々に低下します。 印刷は、レーザービームを使用して行うこともできます。レーザービームは、今日のレーザープリンターの動作と同様に、紙の表面をスキャンして、白い領域を露光します。
ページの消去は簡単です。紙とフィルムを摂氏約120度（華氏250度）に加熱すると、酸化反応が加速され、印刷された内容が約10分以内に完全に消去されます。 この温度は、紙が発火する温度よりもはるかに低いため、火災の危険はありません。 また、現在のレーザープリンターの温度よりも低く、トナーを用紙に瞬時に定着させるには、摂氏約200度（華氏392度）に達する必要があります。
化学的安定性の向上
このプロセスの一部としてプルシアンブルーを使用すると、多くの利点があります。 まず、化学的に非常に安定しています。 以前のリライタブルペーパーは通常、主な色変化材料として有機分子を使用していましたが、印刷中に紫外線にさらされると簡単に壊れます。 その結果、非常に多くのサイクルの印刷と消去が許可されません。
対照的に、プルシアンブルー分子は、紫外線に長期間さらされた後でも本質的に無傷のままです。 私たちのラボでは、色の強度やスイッチの速度の明らかな変化を観察することなく、1回の書き込みと消去を80回以上行うことができました。
さらに、プルシアンブルーは簡単に変更してさまざまな色を生成できるため、ブルーだけがオプションではありません。 顔料の化学構造を変更して、鉄の一部を銅で置き換えて緑色の顔料を作成したり、鉄をコバルトで完全に置き換えて茶色を作成したりできます。 現在、一度に1色だけで印刷できます。
この技術をさらに発展させるにつれて、情報を表示する多くの用途、特に新聞、雑誌、ポスターなどの一時的な用途に書き換え可能な紙を利用できるようにしたいと考えています。 他の用途は、製造業、ヘルスケア、さらには書き換え可能なラベルの作成などの単純な組織化にまで及びます。
完全にペーパーレスの社会を期待することはおそらく不可能ですが、私たちは人々が使うよりもはるかに少ない紙を使うことを支援し、準備ができたときにもっと簡単にそれを再利用することに取り組んでいます。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
カリフォルニア大学リバーサイド校化学教授、Yadong Yin。
