Depuis son invention vers 100 av. J.-C. en Chine, le papier en tant que matériau de diffusion de l'information a grandement contribué au développement et à la propagation de la civilisation. Même à l'ère de l'information, où les médias électroniques sont omniprésents dans les foyers, les bureaux et même dans nos poches, le papier joue toujours un rôle crucial.
Notre cerveau traite les informations différemment sur papier et à l'écran. Les informations présentées sur papier impliquent davantage de traitement émotionnel et produisent plus de réponses cérébrales liées aux sentiments internes. Cela peut rendre les documents imprimés plus efficaces et plus mémorables que les supports numériques. Bien entendu, le papier est encore utilisé couramment et la consommation mondiale devrait croître.
Mais l'utilisation du papier pose d'importants problèmes environnementaux et de durabilité. Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont travaillé au développement de supports de lecture au format de papier conventionnel, mais pouvant être réimprimés sans devoir être recyclés industriellement. Une option prometteuse a été de recouvrir le papier d’une fine pellicule de produits chimiques qui changent de couleur à la lumière. Mais les efforts précédents ont rencontré des problèmes tels que le coût élevé et la toxicité élevée - sans parler de la difficulté à rester lisible et à être effacé pour être réutilisé.
Mon groupe de recherche de l'Université de Californie à Riverside, en collaboration avec Wenshou Wang de l'Université de Shandong en Chine, a récemment mis au point un nouveau revêtement pour papier ordinaire ne nécessitant pas d'encre, pouvant être imprimé à la lumière, effacé et réutilisé à plus de 80 fois. Le revêtement combine les fonctions de deux types de nanoparticules, des particules 100 000 fois plus fines qu'un morceau de papier; une particule est capable de tirer de l'énergie de la lumière et initie le changement de couleur de l'autre. Ceci représente une étape importante vers le développement du papier réimprimable.
Effets environnementaux du papier
Environ 35 pour cent de tous les arbres récoltés dans le monde sont utilisés pour fabriquer du papier et du carton. À l’échelle mondiale, l’industrie des pâtes et papiers est le cinquième consommateur d’énergie et utilise plus d’eau pour produire une tonne de produits que toute autre industrie.
L'extraction de la pâte consomme de grandes quantités d'énergie et peut impliquer des produits chimiques dangereux tels que la dioxine. La production de papier entraîne l’émission de phosphore nutritif. Cela, à son tour, stimule la croissance des plantes, ce qui peut utiliser tout l'oxygène de l'eau et tuer toute vie animale.
Même après la fabrication du papier, son utilisation nuit à l'environnement. Le camionnage du papier de son lieu de fabrication à son lieu d'utilisation génère de la pollution atmosphérique. Et la fabrication et l'utilisation d'encre et de toner nuisent également à l'environnement en contaminant l'eau, en empoisonnant le sol et en détruisant les habitats naturels de la faune.
Notre méthode utilise des ingrédients non toxiques et permet la réutilisation répétée du papier, réduisant ainsi les effets environnementaux.
Changement de couleur
Lors du développement d'un revêtement pour le papier, il est important d'en trouver un transparent mais pouvant changer de couleur pour devenir visible et inversement. De cette façon, tout texte ou image peut être rendu lisible comme sur du papier normal, mais également facilement effacé.
Notre méthode combine des nanoparticules - des particules de taille comprise entre 1 et 100 nanomètres - de deux matériaux différents qui peuvent changer de clair à visible et inversement. Le premier matériau est le bleu de Prusse, un pigment bleu largement utilisé, plus connu sous le nom de bleu dans les bleus architecturaux ou les encres. Les nanoparticules de bleu de Prusse semblent normalement bleues, mais peuvent devenir incolores lorsqu'elles reçoivent des électrons supplémentaires.
Le deuxième matériau est constitué de nanoparticules de dioxyde de titane. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière ultraviolette, ils libèrent les électrons dont le bleu de Prusse a besoin pour devenir incolores.
Notre technique combine ces deux nanoparticules dans un revêtement solide sur du papier conventionnel. (Il peut également être appliqué à d'autres solides, y compris des feuilles de plastique et des lames de verre.) Lorsque nous projetons de la lumière ultraviolette sur le papier couché, le dioxyde de titane produit des électrons. Les particules de bleu de Prusse captent ces électrons et changent de couleur de bleu en clair.
L’impression peut se faire à travers un masque, qui est une feuille de plastique transparente imprimée avec des lettres et des motifs en noir. Le papier commence entièrement en bleu. Lorsque les rayons ultraviolets traversent les zones vierges du masque, les zones correspondantes situées en dessous du papier deviennent blanches, reproduisant ainsi les informations du masque sur le papier. L’impression est rapide et ne prend que quelques secondes.
La résolution est très élevée: il peut produire des motifs aussi petits que 10 micromètres, 10 fois plus petits que ce que nos yeux peuvent voir. Le papier restera lisible plus de cinq jours. Sa lisibilité se dégradera lentement car l’oxygène de l’air extrait les électrons des nanoparticules de bleu de Prusse et les ramène au bleu. L'impression peut également être effectuée à l'aide d'un faisceau laser, qui balaye la surface du papier et expose les zones qui devraient être blanches, de la même manière que les imprimantes laser actuelles.
Il est facile d'effacer une page: le fait de chauffer le papier et le film à environ 120 degrés Celsius accélère la réaction d'oxydation en effaçant complètement le contenu imprimé en 10 minutes environ. Cette température est bien inférieure à la température à laquelle le papier s'enflamme, il n'y a donc aucun risque d'incendie. Elle est également inférieure à la température impliquée dans les imprimantes laser actuelles, qui doivent atteindre environ 200 degrés Celsius (392 degrés Fahrenheit) pour fondre instantanément le toner sur le papier.
Amélioration de la stabilité chimique
L'utilisation du bleu de Prusse dans le cadre de ce processus offre de nombreux avantages. Premièrement, il est hautement chimiquement stable. Les papiers réinscriptibles précédents utilisaient généralement des molécules organiques comme principaux matériaux de changement de couleur, mais elles se décomposent facilement après avoir été exposées aux rayons ultraviolets lors de l'impression. En conséquence, ils ne permettent pas beaucoup de cycles d'impression et d'effacement.
En revanche, les molécules de bleu de Prusse restent essentiellement intactes même après une exposition prolongée à la lumière ultraviolette. Dans notre laboratoire, nous avons été en mesure d’écrire et d’effacer une seule feuille plus de 80 fois sans observer aucun changement apparent dans l’intensité de la couleur ni dans la vitesse du commutateur.
En outre, le bleu de Prusse peut être facilement modifié pour produire différentes couleurs. Le bleu n'est donc pas la seule option. Nous pouvons modifier la structure chimique du pigment, en remplaçant une partie de son fer par du cuivre pour obtenir un pigment vert, ou en remplaçant entièrement le fer par du cobalt pour obtenir du brun. À l'heure actuelle, nous ne pouvons imprimer qu'une seule couleur à la fois.
Au fur et à mesure que nous développons cette technologie, nous espérons rendre le papier réinscriptible disponible pour de nombreuses utilisations d'affichage d'informations, en particulier des utilisations temporaires telles que les journaux, les magazines et les affiches. D'autres utilisations s'étendent à la fabrication, aux soins de santé et même à la simple organisation, comme la fabrication d'étiquettes réinscriptibles.
Il est probablement impossible d'espérer une société complètement sans papier, mais nous travaillons pour aider les gens à utiliser beaucoup moins de papier qu'ils ne le font - et à le réutiliser plus facilement quand ils sont prêts.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Yadong Yin, professeur de chimie à l'Université de Californie à Riverside.
