陈伟俊/清华大学化学硕士，中兴大学化学学士。现任科技行业工程师，《化学有多重要，为什么我从来不知道？》作者。你用过橡皮擦吗？只要用橡皮擦笔附带的橡皮擦擦，就可以让写出来的字迹隐形。擦笔墨水是一种由聚合物组成的温敏染料微胶囊，其中负载有染料、显色剂和变色温度调节剂。它们在室温下是固体，变色温度调节剂不干扰染料和显色剂的结合；当环境温度超过熔点时，变色调温剂会熔化并介入染料和显色剂之间。染料失去显色剂，自然会达到隐形的效果。
在《哈利波特》(哈利波特)的魔法世界里，如果你想写一些只有某些人才能知道的秘密，那么你可能需要“隐形墨水”来帮助。这种透明无色的墨水，在你乱涂乱画之后，可以让整张纸看起来和以前一样好。如果你想让字迹清晰可见，你只需要拿着魔杖，指向纸张，喊出咒语“Aparecium”，秘密就会浮出水面。
“啊巴拉香！”在魔法世界里，喊出这个暴露于纸的诅咒，秘密就会浮出水面！图/giphy.com不管你有没有看过《哈利波特》，相信正在看这篇文章的麻瓜们对这个神奇的世界有着各种各样的想象。为了实现每个麻瓜心中的浪漫，我们的科技不是在进步，就是在进步的路上。隐形墨水到现在已经不是什么新鲜事了。随便去书店，拿出几十块，带个橡皮擦就能轻松拥有！橡皮擦乍一看和一般的圆珠笔没什么区别，只不过是在笔尖上附加了一块特殊的橡皮擦。但是，只要用这种橡皮擦把写好的字迹来回擦一擦，字迹就会立刻消失，就像隐形墨水一样。
由于这个特点，你可以在每个橡皮擦的主体上找到“请勿用于证券或签名等重要文件”的警告。文具公司好像很早就知道，每个人或多或少都想用技术来计算一些不好的东西。不幸的是，他们的担忧变成了现实。早在2012年，暴力讨债集团就用橡皮擦篡改本票数字，盗取受害者账户；去年(2020年)斗大的新闻头条还说，景光山庄的警察用橡皮擦改变房客入住信息的浮动金额，以补贴自己使用。
00-1010我相信很多读者经常会对社会上很多不公平不公正的事件感到愤慨。在这种情况下，能否通过破解擦笔的墨水，找出这些人的罪恶形态？在魔法世界里，有一种“曝光魔咒”可以让隐形墨水显影，但在麻瓜世界里，有没有属于麻瓜的曝光魔咒？答案不仅是肯定的，就连破获景光山庄案件的警察也对这句“口头禅”相当熟悉。他只做了一个动作，然后字迹就浮现在纸上，让犯人百思不得其解，百依百顺。答案是：别动。
在我们知道为什么“冷冻”可以使笔迹隐形之前，我们首先要明白为什么笔迹可以通过擦拭消失。我们先来观察2017年10月的一则新闻标题，试着想出真正让笔迹消失的关键：
擦笔写作业悲剧！Pad方便面惊现“超级疯狂麦田怪圈”
这个悲剧的主角是一个男学生，他用擦笔把自己的课堂经历写在白纸上。没想到，在宿舍泡的时候，他顺手把这张经验纸放在了最下面，但最后他写的洋洋洒洒的经验消失了，纸上出现了一个方便面碗底那么大的圆圈，就像一个麦田圈，这让男同学苦恼的写下了拍卖的文件。
想象一下，你的笔记消失了，只剩下麦田圈。那会是多么的崩溃啊！图//wikimedia
冷冻，就是你的阿八拉象！
在这场悲剧中，你找到笔迹消失的关键了吗？既然橡皮擦没有参与整个作案过程，显然泡面碗的“高温”才是更有嫌疑的犯人！所以我们可以合理推断，只要把墨水擦到一定温度，颜色就会褪色。而事实也正是如此。为了证明这个论点，我们可以用其他常见的热源做实验，比如在纸上定点吹吹风机，几秒钟后字迹就会褪色。所以，橡皮擦附带的橡皮擦之所以能擦掉字迹，并不是真的把墨水擦掉，而是通过摩擦和加热使墨水变得透明无色，这样肉眼看起来就会像真的被擦掉了一样。
终于找到真正的原因后，最重要的问题来了：为什么擦笔的墨水加热后可以消失的无影无踪？
擦墨和水的区别，关键在于墨水配方。如果把擦墨和水放在高倍显微镜下，会看到均匀分散的小球，就像汤锅里的圆团子一样。每个球都是这个魔术表演发生的地方。它们是由聚合物组成的微胶囊，又称热敏染料微胶囊，大小仅为2 ~ 3微米(微米)，约为头发直径的1 ∕ 40。在这样的迷你包装中，有三个要素：染料、显色剂和变色温度调节器。
染料之所以能显色，是因为显色剂与之结合。虽然橡皮擦笔的具体成分是保密的，无法确切得知，但至少退一万步讲，一般都是热敏墨水。
染料本尊其实就是「酸硷指示剂」的其中一种。酸硷指示剂藉由与氢离子（H+）或氢氧根离子（OH–）酸硷中和，进而改变分子结构，藉此让分子上的电荷透过共振（resonance），达到更好的分散程度，影响吸收光的波长（图一）。倘若吸收的是可见光，肉眼看见的便是吸收光的互补色，这也就是为什么酸硷指示剂能在不同酸硷值呈现不同颜色。
当我们知道染料的本质后，显色剂就比较好理解了，既然是为了让酸硷指示剂显色，想必显色剂非酸即硷。不过一般常见感温墨水的主要成分还是以有机酸为主，像是酚（phenols）、没食子酸酯（gallates）、羟基香豆素（hydroxycoumarins）等可以提供少量质子的弱酸性物质。
修但几勒！所以我说那个感温呢？
我们已经清楚了解染料与显色剂结合后能够显色，但是光这样还不够，还缺少了「隐形」的关键！研发人员除了得想办法找到一个物质让染料与显色剂分离之外，更重要的是，要让墨水在什么温度隐形？要是墨水在过低的温度（例如体温）就隐形，写字的时候除了要注意另一只手不可以盖到字迹，写累了还不能趴在桌上，否则一觉醒来看到空白的纸面，便会以为刚刚写字的记忆都只是梦一场。
而成就擦擦笔的第三个关键人物就是「变色温度调整剂」，其本尊是高熔点的有机溶剂。在室温环境时它们是固体，在微胶囊里面安安静静不打扰染料与显色剂的结合，一旦环境温度超过熔点时，溶剂便会熔化，正式介入染料与显色剂的两人世界。此时，溶剂与显色剂的结合力大于染料与显色剂的结合力，显色剂便会「移情别恋」与染料分手。而染料失去了显色剂，自然也就失去色彩，达成隐形的效果（图二）。
因此，温度调整剂的熔点就成为变色时机的关键！以擦擦笔墨水来说，官方设定在60°C 启动变色机制。但由于擦擦笔墨水的独特溶剂配方，就算回到室温时，墨水也仍然能保持隐形的状态，直到放置在低于 -10°C 的环境让溶剂凝固后，染料和显色剂才得以再次结合并恢复原本的颜色。这也就是警光山庄案件当中，承办警员要把墨迹拿到冷冻库冰镇的原因。
透过加热导致物质改变颜色的现象，我们称作「热致变色」（thermochromism）。热致变色的其中一个经典案例，是应用在 2019 冠状病毒疾病（COVID-19）疫情期间的额温贴片，它的材质是胆固醇液晶（cholesteric liquid crystals, CLCs），能透过加温改变液晶分子间的排列结构，进而影响反射光的波长。但感温墨水之所以加热能够隐形，单纯只是因为热量让有机溶剂熔化，进而阻挠染料与显色剂相互结合。要是没有显色剂的存在，加热半天也不会见到任何变化，因此这看似为热致变色的现象，本质上其实是「酸致变色」（halochromism）。
用感温墨水来缤纷这个世界
感温墨水除了可以应用在擦擦笔之外，根据变色温度调整剂的不同，也能运用于生活上需要简易监控温度的场合。像是变色温度约在 10°C 的墨水可以应用在生鲜保冷领域，当颜色消失时，我们就知道要赶紧将食物移到冷藏的环境；变色温度约在 43°C 的墨水则可以应用在热食包装，避免人们吃到烫口的食物。
但比起实务用途，娱乐用途说不定才是大家更为熟知的，像是「变色马克杯」。创作者先在马克杯画上想表达的图案，之后再于杯子外围涂布一层黑色的感温墨水。由于感温墨水在常温下显色，因此整杯看起来黑压压一片。不过，一旦倒入热水后，稍待数秒黑色便会褪去，底层图案渐渐浮现出来，让热饮沖泡的过程中多了几分惊喜与乐趣。
除了热饮杯，也有冷饮杯的版本，有的创作者会先在杯子上绘製像是樱花树、烟火等图案，并在需要显色的地方，例如花朵、花火涂上感温墨水。冷饮杯使用的感温墨水和热饮杯不同，由于冷饮杯所需的变色温度比较低，在常温时是透明无色，我们只要将冰饮注入后，静待颜料显色，此时樱花看起来就像从枯木之中盛开、烟火也被点缀了缤纷的色彩。除此之外，不同颜色的感温墨水之间还能混搭，或和一般墨水调色，可以达到三段、四段，甚至五段的变色。
感温墨水的变色性质间接赋予许多物品新的样貌，为世界创造更多美好的事物，但要是早一点知道感温墨水变色具有可逆性，或许那位男大生在惨剧发生的当下就不会选择发文了。只不过，我觉得比悲伤更悲伤的故事，是男大生在心得补写完之后才 PO 上网，回文有人跟他讲放到冷冻库就可以救回整篇心得。
- 〈本文选自《科学月刊》2021 年 6 月号〉
注释
- 「阿八拉象」为《哈利波特》世界中的咒语，其功能是让隐形墨水现形。
- 在《哈利波特》世界中，麻瓜是指不谙魔法的普通人。
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