Dalla sua invenzione intorno al 100 a.C. in Cina, la carta come materiale per la diffusione di informazioni ha contribuito notevolmente allo sviluppo e alla diffusione della civiltà. Anche nell'era dell'informazione di oggi, con i media elettronici onnipresenti nelle case, negli uffici e persino nelle nostre tasche, la carta gioca ancora un ruolo critico.
I nostri cervelli elaborano le informazioni in modo diverso sulla carta e sullo schermo. Le informazioni presentate sulla carta implicano una maggiore elaborazione emotiva e producono più risposte cerebrali connesse a sentimenti interni. Ciò può rendere il materiale stampato più efficace e più memorabile dei media digitali. Naturalmente, la carta è ancora di uso comune e si prevede che il consumo globale aumenterà.
Ma l'uso della carta comporta notevoli problemi ambientali e di sostenibilità. Per molti anni, gli scienziati hanno lavorato allo sviluppo di supporti di lettura che hanno il formato della carta convenzionale ma che possono essere ristampati senza prima dover essere riciclati industrialmente. Un'opzione promettente è stata quella di rivestire la carta con un sottile film di sostanze chimiche che cambiano colore quando esposto alla luce. Ma gli sforzi precedenti hanno riscontrato problemi come i costi elevati e l'elevata tossicità, per non parlare delle difficoltà sia a rimanere leggibili che a essere cancellate per il riutilizzo.
Il mio gruppo di ricerca presso l'Università della California, a Riverside, in collaborazione con Wenshou Wang alla Shandong University in Cina, ha recentemente sviluppato un nuovo rivestimento per carta normale che non ha bisogno di inchiostro e che può essere stampato con luce, cancellato e riutilizzato più di 80 volte. Il rivestimento combina le funzioni di due tipi di nanoparticelle, particelle 100.000 volte più sottili di un pezzo di carta; una particella è in grado di ottenere energia dalla luce e avvia il cambio di colore dell'altra. Ciò rappresenta un passo importante verso lo sviluppo della carta stampabile.
Effetti ambientali della carta
Circa il 35 percento di tutti gli alberi raccolti nel mondo viene utilizzato per produrre carta e cartone. In tutto il mondo, l'industria della cellulosa e della carta è il quinto consumatore di energia e utilizza più acqua per produrre una tonnellata di prodotto rispetto a qualsiasi altra industria.
L'estrazione della polpa consuma grandi quantità di energia e può coinvolgere sostanze chimiche pericolose come la diossina. La produzione di carta provoca l'emissione del fosforo nutriente. Ciò, a sua volta, stimola la crescita delle piante, che può consumare tutto l'ossigeno presente nell'acqua e uccidere qualsiasi animale.
Anche dopo che la carta è stata fabbricata, il suo utilizzo danneggia l'ambiente. La carta per autocarri da dove viene fatta a dove viene usata genera inquinamento atmosferico. Inoltre, produrre e utilizzare inchiostro e toner danneggia anche l'ambiente, contaminando l'acqua, avvelenando il suolo e distruggendo gli habitat naturali della fauna selvatica.
Il nostro metodo utilizza ingredienti non tossici e consente il riutilizzo ripetuto della carta, riducendo così gli effetti ambientali.
Cambio di colori
Nello sviluppo di un rivestimento per carta, è importante trovarne uno trasparente ma che possa cambiare colore in qualcosa di visibile e viceversa. In questo modo, qualsiasi testo o immagine può essere reso leggibile come su carta normale, ma anche facilmente cancellato.
Il nostro metodo combina nanoparticelle - particelle di dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri - di due materiali diversi che possono cambiare da chiari a visibili e viceversa. Il primo materiale è il blu di Prussia, un pigmento blu ampiamente usato più familiare come il colore blu in progetti architettonici o inchiostri. Le nanoparticelle blu prussiane normalmente appaiono blu, ovviamente, ma possono diventare incolori quando vengono alimentate con elettroni aggiuntivi.
Il secondo materiale sono le nanoparticelle di biossido di titanio. Quando esposti alla luce ultravioletta, rilasciano gli elettroni di cui il blu di Prussia ha bisogno per diventare incolori.
La nostra tecnica combina queste due nanoparticelle in un rivestimento solido su carta convenzionale. (Può essere applicato anche ad altri solidi, compresi fogli di plastica e vetrini.) Quando risplendiamo i raggi ultravioletti sulla carta patinata, il biossido di titanio produce elettroni. Le particelle blu di Prussia raccolgono quegli elettroni e cambiano colore dal blu al chiaro.
La stampa può essere eseguita attraverso una maschera, che è un foglio di plastica trasparente stampato con lettere e motivi in nero. La carta inizia interamente in blu. Quando la luce UV attraversa le aree vuote della maschera, cambia le aree corrispondenti sulla carta sottostante in bianco, replicando le informazioni dalla maschera alla carta. La stampa è veloce e il completamento richiede solo pochi secondi.
La risoluzione è molto alta: può produrre modelli piccoli come 10 micrometri, 10 volte più piccoli di ciò che i nostri occhi possono vedere. Il documento rimarrà leggibile per più di cinque giorni. La sua leggibilità si degraderà lentamente, poiché l'ossigeno presente nell'aria preleva gli elettroni dalle nanoparticelle blu prussiane e le trasforma in blu. La stampa può anche essere eseguita utilizzando un raggio laser, che esegue la scansione della superficie della carta ed espone le aree che dovrebbero essere bianche, in modo simile a come funzionano le stampanti laser di oggi.
Cancellare una pagina è facile: riscaldare la carta e il film a circa 120 gradi Celsius (250 gradi Fahrenheit) accelera la reazione di ossidazione, cancellando completamente il contenuto stampato in circa 10 minuti. Questa temperatura è molto più bassa della temperatura alla quale la carta si accende, quindi non c'è pericolo di incendio. È inoltre inferiore alla temperatura delle attuali stampanti laser, che devono fondere all'istante circa 200 gradi Celsius (392 gradi Fahrenheit) per fondere istantaneamente il toner sulla carta.
Stabilità chimica migliorata
L'uso del blu di Prussia come parte di questo processo offre un numero significativo di vantaggi. Innanzitutto, è altamente chimicamente stabile. Le carte riscrivibili precedenti usavano di solito molecole organiche come principali materiali di cambio colore, ma si rompono facilmente dopo essere state esposte alla luce UV durante la stampa. Di conseguenza, non consentono molti cicli di stampa e cancellazione.
Al contrario, le molecole blu di Prussia rimangono sostanzialmente intatte anche dopo l'esposizione a lungo termine alla luce ultravioletta. Nel nostro laboratorio, siamo stati in grado di scrivere e cancellare un singolo foglio più di 80 volte senza osservare alcuna apparente modifica all'intensità del colore o alla velocità dell'interruttore.
Inoltre, il blu di Prussia può essere facilmente modificato per produrre colori diversi, quindi il blu non è l'unica opzione. Possiamo cambiare la struttura chimica del pigmento, sostituendo parte del suo ferro con rame per creare un pigmento verde o sostituendo completamente il ferro con cobalto per rendere marrone. Al momento, siamo in grado di stampare in un solo colore alla volta.
Mentre sviluppiamo ulteriormente questa tecnologia, speriamo di rendere disponibile la carta riscrivibile per molti usi di visualizzazione delle informazioni, in particolare usi temporanei come giornali, riviste e poster. Altri usi si estendono alla produzione, all'assistenza sanitaria e persino alla semplice organizzazione, come la creazione di etichette riscrivibili.
Probabilmente non è fattibile sperare in una società completamente senza carta, ma stiamo lavorando per aiutare le persone a usare molta meno carta di loro e riutilizzarla più facilmente quando sono pronte.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Yadong Yin, professore di chimica, Università della California, Riverside.
