以下文章經The Conversation許可轉載，The Conversation是一家報道最新研究的線上出版物。
自從公元前 100 年左右在中國發明以來，紙張作為傳播資訊的材料，極大地促進了文明的發展和傳播。即使在今天的資訊時代，電子媒體在家庭、辦公室甚至我們的口袋中無處不在，紙張仍然發揮著關鍵作用。
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我們的大腦在紙張和螢幕上以不同的方式處理資訊。紙張上呈現的資訊涉及更多的情感處理，併產生更多與內在感受相關的大腦反應。這可以使印刷材料比數字媒體更有效且更令人難忘。當然，紙張仍然被廣泛使用，並且全球消費量預計將會增長。
但是紙張的使用帶來了嚴重的環境和可持續性問題。多年來，科學家們一直致力於開發具有傳統紙張形式的閱讀介質，但可以重複列印，而無需首先進行工業回收。一種有希望的選擇是在紙張上塗上一層薄膜，這種薄膜由化學物質組成，這些化學物質在光照下會改變顏色。但之前的努力遇到了成本高昂和毒性高等問題——更不用說保持可讀性和被擦除以供重複使用的難度了。
我在加州大學河濱分校的研究小組與中國山東大學的王文壽合作，最近為普通紙張開發了一種新塗層，這種塗層無需墨水，可以用光列印，擦除和重複使用 80 次以上。該塗層結合了兩種奈米顆粒的功能，這些顆粒比一張紙薄 10 萬倍；一種顆粒能夠從光中獲取能量並啟動另一種顆粒的顏色變化。這代表著朝著可重複列印紙張的開發邁出了重要一步。
紙張對環境的影響
世界上大約35%的採伐樹木用於製造紙張和紙板。在全球範圍內，紙漿和造紙工業是第五大能源消耗者，並且生產每噸產品比任何其他行業使用更多的水。
紙漿提取消耗大量能源，並且可能涉及危險化學物質，如二噁英。造紙生產導致營養物質磷的排放。反過來，這會促進植物生長，這會耗盡水中所有的氧氣並殺死任何動物生命。
即使在紙張製成後，它的使用也會破壞環境。將紙張從生產地運到使用地會產生空氣汙染。製造和使用墨水和碳粉也會危害環境，汙染水源、毒害土壤並破壞野生動物的自然棲息地。
我們的方法使用無毒成分，並允許紙張重複使用，從而減少對環境的影響。
顏色切換
在開發紙張塗層時，重要的是找到一種透明但可以改變顏色為可見顏色——然後再變回透明的塗層。這樣，任何文字或影像都可以像普通紙張一樣可讀，但也很容易擦除。
我們的方法結合了奈米顆粒——尺寸在 1 到 100 奈米之間的顆粒——由兩種不同的材料製成，這兩種材料可以從透明變為可見，然後再變回透明。第一種材料是普魯士藍，一種廣泛使用的藍色顏料，最常見的是建築藍圖或墨水中的藍色。普魯士藍奈米顆粒通常呈現藍色，當然，但當它們被提供額外的電子時，可以變成無色。
第二種材料是二氧化鈦奈米顆粒。當暴露在紫外線下時，它們會釋放普魯士藍變成無色所需的電子。
我們的技術將這兩種奈米顆粒結合到傳統紙張的固體塗層中。（它也可以應用於其他固體，包括塑膠片和玻璃載玻片。）當我們用紫外線照射塗層紙張時，二氧化鈦會產生電子。普魯士藍顆粒吸收這些電子，顏色從藍色變為透明。
列印可以透過掩模完成，掩模是一張透明塑膠片，上面用黑色印有字母和圖案。紙張最初是完全藍色的。當紫外線穿過掩模上的空白區域時，它會將下方紙張上的相應區域變成白色，從而將掩模上的資訊複製到紙張上。列印速度很快，只需幾秒鐘即可完成。
解析度非常高：它可以產生小至 10 微米的圖案，比我們的眼睛能看到的還要小 10 倍。紙張將保持可讀性超過五天。它的可讀性會緩慢下降，因為空氣中的氧氣會從普魯士藍奈米顆粒中奪走電子，並使它們變回藍色。列印也可以使用雷射束完成，雷射束掃描紙張表面並曝光應為白色的區域，這與當今的雷射印表機的工作方式類似。
擦除頁面很容易：將紙張和薄膜加熱到約 120 攝氏度（250 華氏度）會加速氧化反應，在大約 10 分鐘內完全擦除列印內容。這個溫度遠低於紙張點燃的溫度，因此沒有火災危險。它也低於當前雷射印表機中涉及的溫度，雷射印表機需要達到約200 攝氏度（392 華氏度）才能立即將碳粉熔合到紙張上。
改進的化學穩定性
使用普魯士藍作為此過程的一部分提供了許多顯著的優勢。首先，它化學穩定性高。以前的可重寫紙張通常使用有機分子作為主要的變色材料，但它們在列印過程中暴露於紫外線下後容易分解。因此，它們不允許進行非常多的列印和擦除迴圈。
相比之下，即使長期暴露在紫外線下，普魯士藍分子也基本上保持完整。在我們的實驗室中，我們已經能夠在一張紙上書寫和擦除 80 多次，而沒有觀察到顏色強度或切換速度有任何明顯變化。
此外，普魯士藍可以很容易地修改以產生不同的顏色，因此藍色不是唯一的選擇。我們可以改變顏料的化學結構，用銅代替部分鐵來製成綠色顏料，或者完全用鈷代替鐵來製成棕色。目前，我們一次只能用一種顏色列印。
隨著我們進一步開發這項技術，我們希望使可重寫紙張可用於許多資訊顯示用途，特別是報紙、雜誌和海報等臨時用途。其他用途擴充套件到製造業、醫療保健，甚至簡單的組織，例如製作可重寫標籤。
完全實現無紙化社會可能不切實際，但我們正在努力幫助人們減少紙張使用量，並在他們準備好時更輕鬆地重複使用紙張。
本文最初發表於The Conversation。閱讀原始文章。