Sejak penemuannya sekitar 100 SM di Cina, kertas sebagai bahan untuk menyebarkan informasi telah memberikan kontribusi besar bagi pengembangan dan penyebaran peradaban. Bahkan di era informasi saat ini, dengan media elektronik hadir di rumah, kantor, dan bahkan kantong kita, kertas masih memainkan peran penting.
Otak kita memproses informasi secara berbeda di atas kertas dan di layar. Informasi yang disajikan di atas kertas melibatkan lebih banyak proses emosional dan menghasilkan lebih banyak respons otak yang terhubung dengan perasaan internal. Itu bisa membuat materi cetak lebih efektif dan lebih berkesan daripada media digital. Tentu saja, kertas masih umum digunakan, dan konsumsi global diperkirakan akan tumbuh.
Tetapi penggunaan kertas disertai dengan masalah lingkungan dan keberlanjutan yang signifikan. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah bekerja untuk mengembangkan media membaca yang memiliki format kertas konvensional tetapi dapat dicetak ulang tanpa terlebih dahulu harus didaur ulang secara industri. Salah satu pilihan yang menjanjikan adalah melapisi kertas dengan lapisan tipis bahan kimia yang berubah warna saat terkena cahaya. Tetapi upaya sebelumnya telah mengalami masalah seperti biaya tinggi dan toksisitas tinggi - belum lagi kesulitan keduanya tetap dapat dibaca dan dihapus untuk digunakan kembali.
Kelompok penelitian saya di University of California, Riverside, bekerja sama dengan Wenshou Wang di Universitas Shandong di China, baru-baru ini mengembangkan lapisan baru untuk kertas biasa yang tidak memerlukan tinta, dan dapat dicetak dengan cahaya, dihapus dan digunakan kembali lebih dari 80 waktu. Lapisan menggabungkan fungsi dua jenis nanopartikel, partikel 100.000 kali lebih tipis dari selembar kertas; satu partikel dapat memperoleh energi dari cahaya dan memulai perubahan warna lainnya. Ini merupakan langkah penting menuju pengembangan kertas yang dapat dicetak ulang.
Efek lingkungan dari kertas
Sekitar 35 persen dari semua pohon yang dipanen di dunia digunakan untuk membuat kertas dan karton. Di seluruh dunia, industri pulp dan kertas adalah konsumen energi terbesar kelima dan menggunakan lebih banyak air untuk menghasilkan satu ton produk daripada industri lainnya.
Ekstraksi pulp menggunakan energi dalam jumlah besar dan dapat melibatkan bahan kimia berbahaya seperti dioksin. Produksi kertas menghasilkan emisi fosfor hara. Itu, pada gilirannya, meningkatkan pertumbuhan tanaman, yang dapat menggunakan semua oksigen di dalam air dan membunuh kehidupan binatang.
Bahkan setelah kertas dibuat, penggunaannya merusak lingkungan. Mengangkut kertas dari tempat pembuatannya ke tempat digunakannya menghasilkan polusi udara. Dan membuat dan menggunakan tinta dan toner juga merusak lingkungan, dengan mencemari air, meracuni tanah, dan menghancurkan habitat alami satwa liar.
Metode kami menggunakan bahan-bahan beracun dan memungkinkan penggunaan kembali kertas berulang, sehingga mengurangi efek lingkungan.
Berganti warna
Dalam mengembangkan pelapis untuk kertas, penting untuk menemukan pelapis yang transparan tetapi dapat berubah warna menjadi sesuatu yang terlihat –dan kembali. Dengan begitu, teks atau gambar apa pun dapat dibuat dapat dibaca seperti di kertas biasa, tetapi juga mudah dihapus.
Metode kami menggabungkan partikel nano-partikel antara 1 dan 100 nanometer-dari dua bahan berbeda yang dapat berubah dari bening menjadi terlihat dan kembali lagi. Bahan pertama adalah biru Prusia, pigmen biru yang banyak digunakan dan paling dikenal sebagai warna biru dalam cetak biru arsitektur atau tinta. Nanopartikel biru prusia biasanya tampak biru, tetapi bisa menjadi tidak berwarna ketika disuplai dengan elektron tambahan.
Bahan kedua adalah nanopartikel titanium dioksida. Ketika terpapar sinar ultraviolet, mereka melepaskan elektron yang dibutuhkan biru Prusia untuk berubah menjadi tidak berwarna.
Teknik kami menggabungkan dua nanopartikel ini menjadi lapisan padat pada kertas konvensional. (Ini juga dapat diterapkan pada padatan lain, termasuk lembaran plastik dan kaca slide.) Ketika kita menyinari sinar ultraviolet pada kertas yang dilapisi, titanium dioksida menghasilkan elektron. Partikel biru Prusia mengambil elektron-elektron itu dan mengubah warna dari biru menjadi jernih.
Pencetakan dapat dilakukan melalui topeng, yang merupakan lembaran plastik bening yang dicetak dengan huruf dan pola berwarna hitam. Kertas dimulai seluruhnya berwarna biru. Ketika sinar UV melewati area kosong pada masker, itu mengubah area yang sesuai pada kertas di bawahnya menjadi putih, mereplikasi informasi dari masker ke kertas. Pencetakan cepat, hanya perlu beberapa detik untuk menyelesaikannya.
Resolusi sangat tinggi: Ini dapat menghasilkan pola sekecil 10 mikrometer, 10 kali lebih kecil dari apa yang dapat dilihat mata kita. Makalah ini akan tetap dapat dibaca selama lebih dari lima hari. Keterbacaannya akan perlahan menurun, karena oksigen di udara mengambil elektron dari nanopartikel biru Prusia dan mengubahnya kembali menjadi biru. Pencetakan juga dapat dilakukan dengan menggunakan sinar laser, yang memindai seluruh permukaan kertas dan memaparkan area yang seharusnya berwarna putih, dengan cara yang mirip dengan cara kerja printer laser saat ini.
Menghapus halaman itu mudah: Pemanasan kertas dan film hingga sekitar 120 derajat Celsius (250 derajat Fahrenheit) mempercepat reaksi oksidasi, menghapus konten yang dicetak sepenuhnya dalam waktu sekitar 10 menit. Suhu ini jauh lebih rendah daripada suhu di mana kertas menyala, sehingga tidak ada bahaya kebakaran. Ini juga lebih rendah dari suhu yang terlibat dalam printer laser saat ini, yang perlu mencapai sekitar 200 derajat Celsius (392 derajat Fahrenheit) untuk secara instan meleburkan toner ke atas kertas.
Peningkatan stabilitas kimia
Menggunakan biru Prusia sebagai bagian dari proses ini menawarkan sejumlah besar keuntungan. Pertama, sangat stabil secara kimiawi. Kertas yang ditulis ulang sebelumnya biasanya menggunakan molekul organik sebagai bahan utama pengubah warna, tetapi mudah rusak setelah terpapar sinar UV selama pencetakan. Akibatnya, mereka tidak mengizinkan siklus pencetakan dan penghapusan yang sangat banyak.
Sebaliknya, molekul biru Prusia pada dasarnya tetap utuh bahkan setelah terpapar sinar ultraviolet jangka panjang. Di lab kami, kami telah mampu menulis dan menghapus satu lembar lebih dari 80 kali tanpa mengamati perubahan nyata pada intensitas warna atau kecepatan sakelar.
Selain itu, biru Prusia dapat dengan mudah dimodifikasi untuk menghasilkan warna yang berbeda, jadi biru bukan satu-satunya pilihan. Kita dapat mengubah struktur kimia pigmen, mengganti sebagian besinya dengan tembaga untuk membuat pigmen hijau, atau sepenuhnya mengganti besi dengan kobalt menjadi cokelat. Saat ini, kami hanya dapat mencetak dalam satu warna pada satu waktu.
Seiring kami mengembangkan teknologi ini lebih jauh, kami berharap membuat kertas yang dapat ditulis ulang tersedia untuk banyak penggunaan menampilkan informasi, terutama penggunaan sementara seperti surat kabar, majalah dan poster. Kegunaan lain meluas ke manufaktur, perawatan kesehatan dan bahkan pengorganisasian sederhana, seperti membuat label yang dapat ditulis ulang.
Mungkin tidak layak untuk mengharapkan masyarakat yang benar-benar tidak memiliki kertas, tetapi kami berupaya membantu orang menggunakan kertas yang jauh lebih sedikit daripada yang mereka lakukan - dan lebih mudah menggunakannya kembali ketika mereka siap.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Yadong Yin, Profesor Kimia, Universitas California, Riverside.
