随着科技的不断发展，电子通信和数字化媒体技术具有信息快速传递和多媒体显示的能力，渐渐成为人类获取信息与知识的主要媒介。而纸张以其悠久的历史与便携性，并未被电子产品取代，仍然是当今社会用量最大的信息传递媒介。然而，在多数情况下，载有信息的纸张在阅读数次后即被废弃，这样既造成自然资源的严重浪费又导致环境的污染破坏。据统计，2017年世界纸张需求量已超过3亿吨，该数字仍以每年约2%的速度上涨。而中国从2008年起已经取代美国成为了世界上最大的纸张生产国，这对我国的环境产生了极大的压力。于是，寻求纸张资源的可重复利用方案，是保护我国绿水青山，实行可持续发展的重要策略，也是亟待解决的重要问题。
给体-受体斯坦豪斯加合物（DASAs）是一类新颖的光致变色分子，在可见光的照射下可以从有色的linear状态转变为无色的cyclic状态，而在加热处理后可以从cyclic状态返回到linear状态（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 8169.）。来自电子科技大学的郑永豪/王东升课题组在之前的工作当中报道了DASAs的水致异构化现象，发现DASAs可以与水分子结合并产生linear-to-cyclic异构化，进一步生成十分稳定的cyclic DASAs·xH2O；该水合物在加热至一定温度后会失去结合水分子并转变回到linear状态（Commun. Chem., 2019, 2, 118.）。相比于光致异构化来说，DASAs的水致异构化路线具有显著的双稳态特性，且在多种材料表面都具有高效快速的转变性质。该课题组在之前已成功基于DASAs水致异构化制备单重与双重保密隐形墨水（ACS Appl. Mater. Interfaces., 2020, 12, 8952.）。
近日，该课题组报道了将DASAs应用于彩色可重复书写纸张的制备当中，所制备得纸张可通过电热笔与湿度处理进行往复“书写-擦除”过程，并通过控制电热笔书写速度可以改变书写笔迹颜色（图1）。
通过改变DASAs电子给体与电子受体部分分子结构，合成了一系列的DASAs。在对各种DASAs分子水致异构化性质进行初步研究与筛选后，最终选取两组颜色不同、水致异构化性质不同的DASAs（DASA-1与DASA-2）作为研究主体（图1）。
图1. （a）DASAs水致异构化过程示意图；（b）DASAs分子结构示意图；（c）彩色可重复书写纸张示意图。
图2. DASA-1与DASA-2的linear-to-cyclic异构化过程研究。
DASA-1与DASA-2均表现出水致异构化现象（图2）。随着环境湿度的升高，水致异构化的平衡也逐渐向cyclic方向偏移。异构化的速率与效率和环境温湿度密切相关。其中，湿度主要影响异构化的平衡，而温度主要影响异构化的速率（图2f）。这说明DASAs的水致异构化其本质是热过程，与该课题组之前的研究相符（Commun. Chem., 2019, 2, 118.）。相比于linear-to-cyclic异构化来说，反向的cyclic-to-linear异构化速度要快很多，这将直接关系到可重复书写纸张的书写性能（图3）。另外，DASA-1与DASA-2均表现出良好的异构化往复性，在重复温湿度处理下没有显示出明显的分解，也说明所制备的可重复书写纸张可以被多次使用（图3e与3f）。有趣的是，由于linear-to-cyclic与cyclic-to-linear的异构化速率差异，在高温高湿条件下（90℃，90% RH），DASAs可以发生cyclic-to-linear-to-cyclic异构化，并可以通过控制环境温度改变拐点位置（图3h）。
图3. DASA-1与DASA-2的cyclic-to-linear异构化过程研究。
进一步地，利用普通纸张作为基材（A4纸、滤纸、宣纸均可作为基材），将DASAs涂覆于表面制备可重复书写纸张（图4a）。在电热笔、热致打印机、热印章、隔热掩模的参与下，可以在纸张表面实现非常顺畅的书写、绘画、打印、印章与图案化处理（图4b）。而在湿度处理后，纸张表面信息可以被“擦除”，并可以用于多次重复书写（图4c）。另外，通过控制外界温湿度，可以进一步控制“擦除”过程速度，以适应不同的应用场景（图4d）。
图4. 单色可重复书写纸张研究。
另外，由于DASA-1与DASA-2的cyclic-to-linear异构化速率不同，可以通过分层方式制备彩色可重复书写纸张，通过在DASA-1与DASA-2之间添加一层聚乙二醇（PEG）进一步分离DASA-1与DASA-2的异构化过程（图5d）。在书写速度快的时候，由于热量传递不彻底，于是只有位于表面的DASA-2层显色，字迹为蓝色；而在书写速度慢的时候，位于底层的DASA-1也可显色，于是字迹为紫色（图5e）。
图5. 彩色可重复书写纸张研究。
该报道可重复书写纸张制备方案简单高效，同时原料易得，且可在不同纸张表面制备，为未来可重复书写纸张的工业化生产起到了推动作用。以上研究成果以《Designing of Rewritable Paper by Hydrochromic Donor-Acceptor Stenhouse Adducts》为题发表在材料学期刊ACS Nano上，第一作者为电子科技大学光电科学与工程学院硕士研究生毛礼俊，通讯作者为郑永豪教授与王东升副教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02629
相关进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”，查看更多
微信
QQ
微博