以下文章经The Conversation许可转载，The Conversation是一家报道最新研究的在线出版物。
自从公元前 100 年左右在中国发明以来，纸张作为传播信息的材料，极大地促进了文明的发展和传播。即使在今天的信息时代，电子媒体在家庭、办公室甚至我们的口袋中无处不在，纸张仍然发挥着关键作用。
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我们的大脑在纸张和屏幕上以不同的方式处理信息。纸张上呈现的信息涉及更多的情感处理，并产生更多与内在感受相关的大脑反应。这可以使印刷材料比数字媒体更有效且更令人难忘。当然，纸张仍然被广泛使用，并且全球消费量预计将会增长。
但是纸张的使用带来了严重的环境和可持续性问题。多年来，科学家们一直致力于开发具有传统纸张形式的阅读介质，但可以重复打印，而无需首先进行工业回收。一种有希望的选择是在纸张上涂上一层薄膜，这种薄膜由化学物质组成，这些化学物质在光照下会改变颜色。但之前的努力遇到了成本高昂和毒性高等问题——更不用说保持可读性和被擦除以供重复使用的难度了。
我在加州大学河滨分校的研究小组与中国山东大学的王文寿合作，最近为普通纸张开发了一种新涂层，这种涂层无需墨水，可以用光打印，擦除和重复使用 80 次以上。该涂层结合了两种纳米颗粒的功能，这些颗粒比一张纸薄 10 万倍；一种颗粒能够从光中获取能量并启动另一种颗粒的颜色变化。这代表着朝着可重复打印纸张的开发迈出了重要一步。
纸张对环境的影响
世界上大约35%的采伐树木用于制造纸张和纸板。在全球范围内，纸浆和造纸工业是第五大能源消耗者，并且生产每吨产品比任何其他行业使用更多的水。
纸浆提取消耗大量能源，并且可能涉及危险化学物质，如二恶英。造纸生产导致营养物质磷的排放。反过来，这会促进植物生长，这会耗尽水中所有的氧气并杀死任何动物生命。
即使在纸张制成后，它的使用也会破坏环境。将纸张从生产地运到使用地会产生空气污染。制造和使用墨水和碳粉也会危害环境，污染水源、毒害土壤并破坏野生动物的自然栖息地。
我们的方法使用无毒成分，并允许纸张重复使用，从而减少对环境的影响。
颜色切换
在开发纸张涂层时，重要的是找到一种透明但可以改变颜色为可见颜色——然后再变回透明的涂层。这样，任何文本或图像都可以像普通纸张一样可读，但也很容易擦除。
我们的方法结合了纳米颗粒——尺寸在 1 到 100 纳米之间的颗粒——由两种不同的材料制成，这两种材料可以从透明变为可见，然后再变回透明。第一种材料是普鲁士蓝，一种广泛使用的蓝色颜料，最常见的是建筑蓝图或墨水中的蓝色。普鲁士蓝纳米颗粒通常呈现蓝色，当然，但当它们被提供额外的电子时，可以变成无色。
第二种材料是二氧化钛纳米颗粒。当暴露在紫外线下时，它们会释放普鲁士蓝变成无色所需的电子。
我们的技术将这两种纳米颗粒结合到传统纸张的固体涂层中。（它也可以应用于其他固体，包括塑料片和玻璃载玻片。）当我们用紫外线照射涂层纸张时，二氧化钛会产生电子。普鲁士蓝颗粒吸收这些电子，颜色从蓝色变为透明。
打印可以通过掩模完成，掩模是一张透明塑料片，上面用黑色印有字母和图案。纸张最初是完全蓝色的。当紫外线穿过掩模上的空白区域时，它会将下方纸张上的相应区域变成白色，从而将掩模上的信息复制到纸张上。打印速度很快，只需几秒钟即可完成。
分辨率非常高：它可以产生小至 10 微米的图案，比我们的眼睛能看到的还要小 10 倍。纸张将保持可读性超过五天。它的可读性会缓慢下降，因为空气中的氧气会从普鲁士蓝纳米颗粒中夺走电子，并使它们变回蓝色。打印也可以使用激光束完成，激光束扫描纸张表面并曝光应为白色的区域，这与当今的激光打印机的工作方式类似。
擦除页面很容易：将纸张和薄膜加热到约 120 摄氏度（250 华氏度）会加速氧化反应，在大约 10 分钟内完全擦除打印内容。这个温度远低于纸张点燃的温度，因此没有火灾危险。它也低于当前激光打印机中涉及的温度，激光打印机需要达到约200 摄氏度（392 华氏度）才能立即将碳粉熔合到纸张上。
改进的化学稳定性
使用普鲁士蓝作为此过程的一部分提供了许多显着的优势。首先，它化学稳定性高。以前的可重写纸张通常使用有机分子作为主要的变色材料，但它们在打印过程中暴露于紫外线下后容易分解。因此，它们不允许进行非常多的打印和擦除循环。
相比之下，即使长期暴露在紫外线下，普鲁士蓝分子也基本上保持完整。在我们的实验室中，我们已经能够在一张纸上书写和擦除 80 多次，而没有观察到颜色强度或切换速度有任何明显变化。
此外，普鲁士蓝可以很容易地修改以产生不同的颜色，因此蓝色不是唯一的选择。我们可以改变颜料的化学结构，用铜代替部分铁来制成绿色颜料，或者完全用钴代替铁来制成棕色。目前，我们一次只能用一种颜色打印。
随着我们进一步开发这项技术，我们希望使可重写纸张可用于许多信息显示用途，特别是报纸、杂志和海报等临时用途。其他用途扩展到制造业、医疗保健，甚至简单的组织，例如制作可重写标签。
完全实现无纸化社会可能不切实际，但我们正在努力帮助人们减少纸张使用量，并在他们准备好时更轻松地重复使用纸张。
本文最初发表于The Conversation。阅读原始文章。