Naukowcy z Shanghai Institute of Ceramics w Chinach opracowali ognioodporny, a na dodatek wysoce elastyczny, nieorganiczny papier z hydroksyapatytu. Arkusze wykonane z bardzo długich nanoigieł mogą być zapisywane lub zadrukowywane oraz stanowią trwały i bezpieczny nośnik informacji. Oprócz tego, innowacyjny materiał doskonale poddaje się procesowi recyklingu i może służyć jako adsorbent (pochłaniacz) organicznych zanieczyszczeń. Ciekawe czy w świecie dotykowych ekranów i terabajtowych dysków twardych, ktoś dalej ma apetyt na wytrzymałe, drukowane kartki?
Papier (nie mylić z papirusem) został prawdopodobnie wynaleziony w Chinach na początku II wieku naszej ery. To materiał o wielu zastosowaniach, zwykle używany do drukowania i pisania, a także powszechnie stosowany jest jako materiał opakowaniowy. Do jego produkcji używane są zwykle włókna z celulozy, otrzymywane w mechanicznych i chemicznych procesach przeróbczych (np. starcia i zmielenia bali sosnowych w metodzie rozwłókniania mechanicznego, lub w rozwłóknianiu chemicznym włókien roślinnych ze słomy, trzciny, bawełny, lnu, konopi i bambusa. Wyroby papierowe często poddawane są recyklingowi, a makulatura przetwarzana jest w procesach dyspersyjnych (rozdrobnieniu w układzie koloidowym). Oprócz włókien celulozowych w skład papieru wchodzą wypełniacze, np. skrobia ziemniaczana i kaolin, talk, gips, kreda, hydrosulfit. Wypełniacze poprawiają właściwości papieru (gładkość, samozerwalność, nieprzezroczystość, odcień). Masa papiernicza zawiera także pewną ilość ligniny, która pod wpływem światła i w obecności tlenu żółknie oraz brunatnieje. To nie jest jedyny mankament, gdyż celuloza pomimo odpowiednich warunków przechowywania niszczeje na skutek chemicznej degradacji – kwasowej hydrolizy, utleniania oraz wżerów atramentowych. Wynika to z dominującej dawniej kwasowej technologii produkcji papieru. Największą jednak zmorą bibliotekarzy są pożary, które były przyczyną utraty znacznej części bezcennych artefaktów.
Produkowany obecnie papier w celu zabezpieczenia i uzyskania odpowiedniego wyglądu pokrywany jest często nieorganiczną powłoką. Stał się przez to materiałem jednorazowego użytku. Prowadzi to do wysokiego zużycia surowców i zwiększenie poziomu odpadów. Według raportu Worldwatch Institute, zapotrzebowanie na papier wzrosło sześciokrotnie tylko w drugiej połowie XX wieku, a jedna piąta drzew z wyciętych lasów kończyła jako źródło celulozy.
Idealne materiały do produkcji nowoczesnego papieru powinny być białe, nietoksyczne, bardzo elastyczne i łatwe w formowaniu na cienkie arkusze. Odnotowano próby wytworzenia kompozytowych warstw z mieszanki odpadów polistyrenu i polietylenu. Niestety, kartki powstałe na skutek połączenia popularnych polimerów były dużo gorszej jakości niż ich celulozowe odpowiedniki, a proces produkcji niekorzystnie wpływał na środowisko. Czyste składniki nieorganiczne rzadko kiedy mają pożądane właściwości do fabrykacji papieru. Jednak hydroksyapatyt – Ca10(PO4)6(OH)2 wykorzystany przez grupę badawczą z Chin spełniał te wymagania, a dodatkowo jest niepalny. Minerał zbudowany z hydroksyfosforanu wapnia występuje w przyrodzie w postaci minerałów oraz jest nieorganicznym składnikiem kości i zębów. Zbudowane z niego są szkliwo zębowe i zębina, a długie kryształy w kościach kręgowców stanowią ich mocne rusztowanie. Apatyty stanowią ponad połowę masy kości, a ich zawartość zmienia się w zależności od rodzaju kości, odżywiania, wieku i aktywności fizycznej człowieka. Syntetyczny hydroksyapatyt stosuje się także się w celach medycznych, do uzupełniania niewielkich ubytkach kostnych oraz jako pokrycia na wszczepów.
Chińscy badacze zsyntezowali metodą solwotermalną bardzo długie, hydroapatytowe włókna z prekursora, którym był oleinian wapnia. Mieszaninę z dodatkiem NaH2PO4·2H2O ogrzewano w autoklawie w temperaturze 180°C, a po określonym czasie (5-23h) ochładzano do temperatury pokojowej. Otrzymany produkt przemywano etanolem w celu zmniejszenia jej lepkości, a następnie wirowano i suszono. Papier z włókien sfabrykowano w procesie sączenia próżniowego. Tak przygotowana hydroksyapatytowa kartka była bardzo elastyczna, niepalna, mogła być zginana i walcowana bez widocznych uszkodzeń oraz nadawała się do zapisu i druku. Ponadto, autorzy badań stwierdzili, że termicznie stabilny, nadający się do ponownego przetworzenia materiał można stosować jako filtr zanieczyszczeń organicznych znajdujących się w wodach ściekowych.
W dzisiejszych czasach nie wszyscy wydawcy książek i prasy przywiązują wagę do jakości papieru. Z pewnością istnieje duża liczba dokumentów, którą ludzkość chciałaby zachować w formie drukowanej. Papier z hydrksyapatytu mógłby zapewnić właściwą ochronę oraz sprawić, że wydruki będą czytelne dla przyszłych pokoleń.
Źródło:
[1] Lu, B.-Q., Zhu, Y.-J. and Chen, F. (2014), Highly Flexible and Nonflammable Inorganic Hydroxyapatite Paper. Chem. Eur. J.. doi: 10.1002/chem.201304439
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201304439/abstract [08.01.2014]
[3] http://onlinelibrary.wiley.com/store/10.1002/chem.201304439/asset/supinfo/chem_201304439
_sm_miscellaneous_information.pdf [08.01.2014]
[4] http://www.readcube.com/articles/10.1002%2Fchem.201304439?r3_referer=wol [08.01.2014]
[5] Paper (I am Not) by bgreenlee, flickr.com, CC BY 2.0