Hvordan Papir kan Revolusjonere Sensorer og Elektroniske Enheter

Papir har lenge vært en viktig del av vitenskapelige og diagnostiske verktøy, og dets rolle i utviklingen av sensorer og elektroniske enheter har fått økt oppmerksomhet de siste tiårene. Allerede i 1902 ble den første patenten utstedt for papirstrimler impregnert med hydrofobe materialer, og siden den gang har papirbaserte enheter gjennomgått en betydelig utvikling. I dag brukes papir i alt fra mikrofysiologiske enheter til moderne biosensorer, som kan analysere blod, urin og andre biologiske prøver med høy presisjon.

Tidlige applikasjoner av papir som et analytisk verktøy går tilbake til antikken, med Plinius den eldre, som beskrev metoder for å vurdere kvaliteten på Tyrus-lilla fargestoffer og en spottest for jernsulfat. Siden den gang har papir, takket være sine enkle men effektive egenskaper, vært brukt til å utvikle alt fra urintester til mer avanserte teknologier som mikrofysiske enheter for samtidig påvisning av glukose og proteiner i urin.

Papirbaserte sensorer har flere fordeler over tradisjonelle enheter laget av plast eller andre materialer. De er rimelige, lett tilgjengelige og kan produseres i stor skala til lav kostnad. I tillegg har papir en naturlig evne til å adsorbere og beholde små mengder væske, noe som gjør det til et ideelt materiale for kapillær strømning, en egenskap som er uunnværlig i utviklingen av biosensorer. Denne egenskapen utnyttes blant annet i nitrocellulose og celluloseacetatfilmer, som kan brukes til å immobilisere antistoffer og andre biologiske molekyler for høy følsomhet ved analyse.

Et av de mest bemerkelsesverdige eksemplene på papirbaserte sensorer er utviklingen av papirbaserte mikrofysiologiske enheter som kan utføre flere tester samtidig. I 2007 utviklet Martinez et al. en papirbasert mikrofysisk enhet som kunne påvise både glukose og proteiner i urin samtidig, en oppnåelse som representerte et viktig skritt fremover innen diagnostiske enheter. Disse enhetene kan operere uten behov for eksterne strømforsyninger eller dyre instrumenter, noe som åpner for billigere og mer tilgjengelige diagnostiske metoder, spesielt i utviklingsland.

Papirbaserte sensorer har også blitt brukt i en rekke kommersielle applikasjoner, fra graviditetstester til blodglukosemåling. For eksempel, på 1980-tallet ble den første kommersielle graviditetstesten utviklet, og på 1990-tallet ble den første kommersielle immunoassay for hjemmebruk lansert. Disse teknologiene har forandret måten vi overvåker helse på, og åpnet døren for personlig medisin.

Imidlertid er det også noen utfordringer knyttet til bruk av papir i sensorer og elektroniske enheter. En av de største utfordringene er papirens homogenitet. Mens papir kan være et utmerket substrat for sensorutvikling, er det ikke alltid like jevnt i struktur eller sammensetning, noe som kan påvirke påliteligheten og nøyaktigheten til testene. I tillegg kan papirbaserte enheter ha begrenset følsomhet og spesifisitet sammenlignet med mer avanserte teknologier som mikrofluidiske chipper laget av plast eller silisium.

Videre er det viktig å merke seg at papirens biokompatibilitet og evne til å være biologisk nedbrytbar gir store fordeler for miljøvennlige applikasjoner. Mange moderne biosensorer er engangsprodukter som kan ha en betydelig miljøpåvirkning. Papirbaserte sensorer tilbyr et mer bærekraftig alternativ, da de kan være biologisk nedbrytbare og dermed bidra til å redusere elektronisk avfall.

Hvordan overgangsmetall-svovelforbindelser og metalloksider kan revolusjonere energilagring og sensorteknologi

Overgangsmetall-svovelforbindelser (TMD-er) har fått økt oppmerksomhet som lovende materialer for ulike elektroniske og energilagringsapplikasjoner, spesielt innen superkondensatorer og batterier. En av de mest utforskede TMD-ene er MoS2, som har vist seg å være et utmerket materiale for superkondensatorer på grunn av sin høye volumetriske kapasitans og gode sykliske stabilitet. I et eksperiment utført av Acerce et al. (2015) ble MoS2-nanoskjell syntetisert i 1T-fase og brukt til å lage frie MoS2-papir-elektroder, som oppnådde volumetriske kapasitansverdier mellom 400 og 700 F/cm3 i forskjellige vannige elektrolytter. Når disse elektrodedene ble testet med organiske elektrolytter, ble det observert enda høyere energitetthet og effektivitetsverdier, noe som gir indikasjoner på at 1T MoS2 kan brukes i fremtidige høyenergi-applikasjoner som raske ladeenheter.

Videre er overgangsmetall-disulfidene, som WS2, blitt undersøkt som elektroder for superkondensatorer i kaliumelektrolytter. Khalil et al. (2016) viste at WS2-nanoribber hadde en optimal kapasitans på 2813 μF/cm². Slike materialer har fordelen av at de muliggjør flere redoksreaksjoner takket være de forskjellige metallionene i strukturen, noe som øker kapasitansen. Dette gjør dem attraktive for raske ladetjenester og energilagringsteknologier som krever høy stabilitet og god syklisk ytelse.

Ternære og høyere ordens kalsogenider, som CuSbS2, CuSbSexS2-x, ZnxCo1-xS og NiFe2Se4, har også blitt undersøkt som elektroder i superkondensatorer. Disse materialene tilbyr eksepsjonell syklisk stabilitet under høye strømstyrker, som er essensielt for applikasjoner der rask lading og høy effekt er avgjørende. For eksempel har NiFe2Se4-baserte elektroder vist stor potensial for raske ladetjenester på grunn av deres eksepsjonelle ytelse i høye strømforhold.

Når det gjelder batterier, har MoS2 også fått mye oppmerksomhet som et materiale for natrium-ionbatterier (Na-ion-batterier). David et al. (2014) rapporterte at Na-ion-batterier med MoS2-elektroder oppnådde en kapasitet som var dobbelt så høy som teoretisk beregnet for Na/MoS2-elektroder, noe som tyder på at konverteringstype reaksjoner kan bidra til høy kapasitet. Dette er en viktig oppdagelse, spesielt når man sammenligner MoS2 med grafitt, som har en nesten ubetydelig kapasitet for natrium-ioner.

For MoSe2, som også er en TMD, har det blitt vist at nanoplater laget gjennom pyrolyse kan brukes som anoder i natrium-ion-batterier, med en initial ladningskapasitet på 1846,8 C/g. Etter 50 sykluser ble det imidlertid observert en reduksjon i kapasiteten til omtrent 1400 C/g, noe som ble forklart med en endring i MoSe2 sin krystallstruktur. Til tross for dette har MoSe2-basert teknologi fortsatt et stort potensial i fremtidens energilagringssystemer.

I tillegg til superkondensatorer og batterier, er TMD-er også lovende for bruk i sensorer, spesielt biosensorer. TMD-er som ReS2 og NiS har vist seg å ha eksepsjonelle elektrokinetiske egenskaper, og deres biokompatibilitet og lave toksisitet gjør dem attraktive i utviklingen av forskjellige sensorer. For eksempel har Irandoost et al. (2023) demonstrert at NiS har utmerket elektrisk ledningsevne og stabilitet, noe som gjør det til et ideelt materiale for elektrochemiske sensorer.

Selv om TMD-er har vist seg å være lovende i laboratorieforsøk, er bruken av disse materialene i papirbaserte enheter fortsatt begrenset. Det er få studier som har brukt TMD-er i utviklingen av fleksible papirbaserte enheter. Dette er en utfordring, da synteseteknologien for TMD-er fortsatt er under utvikling, og materialene har lav katalytisk aktivitet i 2H-fasen samt lav elektrisk ledningsevne.

Eksperimentelle studier har allerede vist lovende resultater for fleksible papirbaserte elektroder. Pataniya et al. (2022) demonstrerte en fleksibel og storarea papirbasert elektrode laget av elektrochemisk aktive 1T ReS2-nanokrystaller. Denne elektroden oppnådde imponerende lave serieresistanser og høye spesifikke kapasitansverdier, og viste mer enn 95% kapasitetbevaring etter 3000 sykluser. Dette tyder på at TMD-baserte papirbaserte elektroder kan spille en viktig rolle i fremtidens energilagringsteknologier.

Det er klart at TMD-er, og spesielt deres 1T-faser, har stort potensial både for energilagring og sensorapplikasjoner. Selv om de fortsatt står overfor utfordringer knyttet til produksjonsmetoder og materialstabilitet, kan de i fremtiden bli sentrale komponenter i fleksible og effektive elektroniske enheter.

Hvordan tradisjonell papirproduksjon utviklet seg i Øst og Midtøsten

I Kina begynte papirproduksjon allerede i det første århundre f.Kr., der hovedråmaterialene var hamp, lin, ramie og papirmor, og forskjellige former for formeringsteknikker ble utviklet. Den mest brukte metoden var å helle papirmassen i et nettformet støpebrett. Denne teknikken ble raskt adoptert i andre deler av Asia, og ble med tiden raffinert og tilpasset lokale behov.

I Korea, som startet papirproduksjon på 500-tallet, var papirmulberry (Broussonetia kazinoki) hovedråmaterialet. Papiret som ble laget, kjent som hanji, ble et viktig handelsprodukt, og den koreanske teknologien for håndpapir ble ikke bare påvirket av Kina, men også utviklet videre med statlig kontroll over produksjonen. Korea var spesielt kjent for sin tilpasning av formen, hvor bambusribber ble plassert parallelt med den smale siden av rammen, i motsetning til den bredere rammen brukt i Kina.

Japan, som begynte sin papirproduksjon på 600-tallet, tok papirmakingsteknikken til et nytt nivå med flere innovasjoner. Her ble kozo (Broussonetia kazinoki) og andre fiber som gampi (Wikstromia canescens) og mitsumata (Edgeworthia papyrifera) brukt som råmaterialer. En viktig utvikling var teknikken kjent som "nagashi-zuki", hvor papirmakeren ikke bare dyppet formen vertikalt, men også horisontalt i en bølgende bevegelse. Denne metoden førte til en sterkere papirkvalitet med et større antall inter-fiberbindinger. Videre ble neri, et klissete middel laget av hibiskusrot, brukt for å hindre at arkene klebet sammen under prosessen.

Papirmassen ble formet i en fleksibel bambusramme, og japanerne utviklet også en spesiell type form, kalt su-geta. Denne formen, som besto av to deler med en bambusramme, gjorde det lettere å erstatte papiret raskt og effektivt, noe som økte produksjonshastigheten.

Papir fra Øst-Asia kjennetegnes av lav densitet og et stort innhold av rå fiber, hvor sekundærfiber er i mindre mengder. Bruken av klissete plantebaserte lim, som neri, bidro til at papiret fikk en unik tekstur og styrke, noe som gjorde det egnet for en rekke formål, fra kalligrafi til kunst og bokproduksjon.

Når papiret spredte seg til Midtøsten, særlig gjennom den islamske verdenen, ble en "teknologisk bro" dannet mellom østlig og vestlig papirmaking. Det er uklart når papiret først ble introdusert i denne regionen, men det er klart at Samarkand i Sentral-Asia var et tidlig senter for papirproduksjon, og det var her den første store papirfabrikken ble etablert på 700-tallet. I denne perioden ble papirproduksjon praktisert i de arabiske kalifatene, og etter hvert ble papir et viktig materiale for administrasjon og handel.

I de arabiske papirverkene ble både "dypping" og "helling" brukt som metoder for å forme arkene, og den arabiske teknikken utviklet seg parallelt med de østasiatiske tradisjonene. Papirmasse ble vasket på et stoff, og deretter dyppet i formene for å lage arkene. Når teknikken spredte seg vestover, ble det brukt forskjellige typer former, inkludert laid (fleksible) og vevde former.

Som et resultat av disse utviklingene ble papir en nøkkelkomponent i utviklingen av boktrykkerkunst, og dets spredning til Europa hadde en enorm innvirkning på den kulturelle og vitenskapelige utviklingen i vesten.

Papirproduksjon i Øst og Midtøsten er derfor ikke bare et håndverksmessig fenomen, men også et kulturelt og økonomisk fundament for mange aspekter av sivilisasjoner, fra administrasjon til kunst og vitenskap.

Hvordan kan vi forbedre og anvende belagte papirmaterialer for bærekraftige løsninger?

Papirmaterialer med spesialbelegg har i de siste årene gjennomgått betydelige forbedringer, og denne utviklingen har ført til en rekke muligheter for anvendelse i ulike industrielle sektorer. Beleggsteknologi har vist seg å være en effektiv metode for å endre papirets egenskaper, og det er spesielt viktig å forstå de underliggende mekanismene som styrer disse endringene. For å oppnå bredere kommersiell anvendelse og samtidig ivareta bærekraftige løsninger, er det viktig å dykke dypere i hvordan disse materialene kan utformes for å være både funksjonelle og miljøvennlige.

Papirbelegg kan lages av et bredt spekter av materialer, som nanomaterialer, biocider og aktive ingredienser, for å forbedre spesifikke egenskaper. Eksempler på disse er nanokleire og kvantepunkter som forbedrer optiske egenskaper eller tillegger UV-resistens (Tandey et al., 2024). Spesielle belegg som inkluderer biocider kan gi papir antimikrobielle egenskaper, noe som gjør det egnet for hygienekritiske applikasjoner (Yuan et al., 2024). I tillegg kan belegg som frigir aktive ingredienser, som for eksempel duftstoffer eller antioksidanter, gi ekstra verdi til papirproduktene (Tan et al., 2020). Denne fleksibiliteten i papirbelegg gjør det mulig å skreddersy egenskapene til papir for å møte de spesifikke behovene til ulike bransjer.

Blant de mer innovative beleggene er voksbelegg, som har vist seg å være et alternativ til plastbelegg. Disse voksbaserte beleggene kan tilby en rekke miljøfordeler, inkludert biodegradabilitet og muligheten for å resirkulere papiret på en standard måte. Voksbelegg, som de som er laget av mineralvoks eller vegetabilske oljer, kan danne barrierer som sammenlignes med plastfilmer, men de brytes ned i naturen på en mye mer miljøvennlig måte (Krings, 2019). Videre har nyere forskning vist at voksbelegg på papir kan resirkuleres effektivt, noe som gir et bærekraftig alternativ til plastbelegg i papirproduksjon. Dette er et spesielt viktig punkt i sammenheng med papirindustrien, som stadig står overfor utfordringer knyttet til avfallshåndtering og plastforurensning.

Papirbelegg har en bred anvendelse i ulike industrielle sektorer, men for at disse materialene skal kunne benyttes i stor skala, må vi forstå og forbedre de underliggende mekanismene for strukturell regulering og ytelsesoptimalisering. For å oppnå bærekraftige og høyytelsesbelegg for papir, er det viktig å utvikle nye behandlinger som ikke bare forbedrer de tekniske egenskapene, men også ivaretar miljøhensyn. Dette er avgjørende for at papirbaserte funksjonelle materialer skal kunne spille en større rolle i fremtidens industrielle løsninger.