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破解「擦擦筆」筆跡隱形祕密

childsci_96
・2014/02/22 ・1712字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

文.圖/黃鴻裕 漫畫/大腳

魔擦筆 w現在流行的魔擦筆,筆頭明明不是橡皮擦,但只要擦一下,墨水顏色就會消失,為什麼呢?讓我們一起來實驗、觀察。

之前有新聞報導詐騙集團利用魔擦筆容易擦拭的特性行騙,實際擦拭過後仔細觀察,會發現字跡並不是真的消失,而是變透明了。那麼,字跡有可能再次浮現嗎?要解答疑問,就要先了解墨水。

變色秘密──三個成分,好寫好擦

如果把墨水放大觀察,可以見到許多顆微型膠囊,有如一粒粒迷你版的涼圓,均勻地懸浮在透明的溶劑裡。這些膠囊的尺寸大約只有頭髮直徑的1/40,而且相當堅固、不易瓦解,能保護好藏有變色秘密的「餡料」不外露,使得書寫起來滑順流暢,墨色均勻一致。

讓墨水具備這種特色的核心為「餡料」,它是一種會隨著溫度變化而轉換顏色的材料,由三個關鍵成分組成,分別是染料、顯色劑和變色溫度調整劑。筆跡消失的過程大致來說是利用溫度改變這三者的互動情形,將墨水從有色狀態切換到無色狀態,使紙上的字因此消色匿跡,看起來和隱形沒兩樣。不過事情可沒那麼簡單,開發人員投入大量時間與心力,進行許多嘗試,掌握了那三個成分的特點,才有辦法讓墨水「適時」地變色。

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染料、顯色劑與變色溫度調整劑各自有不同的功能。墨水的顏色取決於染料,但是它要與顯色劑相互結合,使自己的分子結構變形成有色形態之後,才會顯現色彩。在加熱後,會與顯色劑分離,變回無色形態。但光是這樣,還不算是「好擦」的墨水。為什麼呢?原因是對溫度的改變不夠靈敏,顏色不會瞬間消失,當溫度下降之後,色彩就會漸漸回復。這個狀況在變色溫度調整劑加入後,開始有了不一樣的變化。起初,對溫度變化遲鈍的情形因此得到大幅地改善,能夠迅速變色。但也讓變色溫度範圍縮窄,所以只要溫度稍微降低一點,墨色立即還原。之後研究人員開發出新的調整劑,把墨水的變色溫度範圍拓寬,能夠用在書寫又便於擦拭的墨水就此誕生。

「好寫,好擦,好乾淨」到底好在哪裡呢?新型調整劑能夠設定墨色在特定溫度(攝氏 60 至 65 度)以上時消失,而且當溫度降回室溫時,依然處於透明無色的狀態。因此只要利用筆蓋上的特殊橡皮擦頭,透過摩擦生熱的原理,讓紙面的溫度瞬間提高,那麼筆跡就會隱形,看起來就像被擦掉一樣。如果想一次清除大面積的筆跡,可以用吹風機試試看喔,魔術效果十足!

這到底是怎麼辦到的呢?在一般書寫的情況下,微型膠囊裡的染料與顯色劑相互結合,賦予墨水顏色。這時候的調整劑處於固態,不會干擾它們結合,本身也沒有顏色,所以對墨色沒有任何影響。不過,當溫度升高至變色溫度時,調整劑融化,開始活動起來,出手妨礙染料與顯色劑相互結合,讓它們彼此分離。染料的分子結構因為這樣而變成無色形態,使顏色消失。之後即便降回到室溫,調整劑還不會就此凝固,所以墨色依舊呈現透明樣貌。

再現的筆跡──低溫冷凍,回復色彩

融化?凝固?難道一度消失的字跡,還有再次浮現的機會?沒錯!那該怎麼做?答案是低溫冷凍。準備一個夠大的夾鏈袋,把文件放進去封好,再放到冰箱冷凍即可。想用急凍噴霧也行,但是安全第一。只要溫度夠低(零下10至20度),紙面上曾經被擦掉的筆跡,就會重新顯現。

其中的原因是當溫度降到復色溫度時,變色溫度調整劑開始凝固,阻擋染料與顯色劑結合的能力驟降,而染料會在這時候與顯色劑重新相互結合,再次變形成有色形態,墨色因此得以回復。而且回升至室溫之後,顏色也不會消失。因為調整劑還在「冬眠」呢。開發人員就是利用調整劑的這項特性,讓墨水在溫度高於室溫許多時變色,在遠低於室溫時回復色彩。

不過有兩種情況會讓墨水的顏色無法再次顯現。如果墨水被加熱到很高的溫度或是長時間受到紫外線照射,那些關鍵成分會因此分解,失去原有的特性,也就不再能利用溫度變化使墨水隱形和恢復顏色了。回過頭觀察這類色筆的包裝和使用說明,便能了解為什麼會採用不透光的設計,包得緊緊的,目的是避免筆芯裡的墨水曬到太陽。

知道變色原理之後,除了把墨水用在書寫之外,是不是有其他的「玩法」?只要不心存歹念,一切OK。另外,回憶一下,生活週遭還有哪些會隨著溫度變化而轉換顏色的事物呢?它們被用在什麼地方?又是何時發揮作用?找個時間好好觀察,抽空想想唷!

 

文章難易度
childsci_96
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「國語日報科學版」臉書專頁,是提供給國小師長及三年級以上學童閱讀的科普平臺。 每日刊出報版內容摘要,希望大家更親近科學!


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天文影像工具也能找腫瘤?——臺灣首創 3D 數位病理影像暨 AI 分析平臺

科技大觀園_96
・2022/01/23 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

攝影師運用影像,留存許多珍貴的記錄,講述不少精彩的故事。但影像的力量,可不僅限於此。科學家和醫生也拍照錄像,只不過對象不是一般人事物,而是遙遠的星辰,或微小的組織細胞。而臺灣的科研團隊,更成功讓傳統病理影像突破 2D 平面限制,完整展現 3D 全貌,幫助我們看清病魔的真面目,奪得搶救性命的機會。

為什麽癌症大魔王如此棘手?

在臺灣十大死因排行榜上,癌症已蟬聯榜首將近四十年。原本安分工作的人體細胞,可能受到細菌或病毒的感染、環境中的重金屬、放射線等致癌因子的影響,走上叛變、不正常增生一途,變成惡性腫瘤——也就是癌症。癌細胞會破壞各種重要臟器,掠奪體内大部分營養,最終可能造成人體因器官衰竭、營養不良、併發症而死亡。

十大死因
109 年國人十大死因。(資料來源:衛生福利部

癌症療法中,化療是以化學藥物來毒殺癌細胞,卻因為專一性低,讓病患往往傷敵一千,自損八百。後來發展出的標靶藥物療法,雖然不會無差別攻擊,但治療效果有限,有些種類的癌症更可能出現抗藥性。狡猾的癌細胞,還會產生抑制免疫細胞活性的蛋白質,來避開免疫系統的偵察和追擊。而 2018 年獲得諾貝爾生理醫學獎的「免疫療法」,就是以投放癌細胞表現的蛋白質之阻斷劑,來維持免疫細胞的戰鬥力的突破性療法。

然而,癌細胞也不是省油的燈。它們會與周圍細胞,如血管、纖維母細胞、免疫細胞等打成一片,藉由分泌各式細胞因子,創造利於自己生長的小天地,即腫瘤微環境(Tumor microenvironment)。例如,癌細胞會在微環境促進血管新生,且具備免疫抑制能力,讓免疫細胞鎩羽而歸。這麽一來,即使是副作用較低的免疫療法,也可能無用武之地。

當醫學邂逅天文學,跨領域碰撞出新解方

目前,癌症的診斷與療程的決定,主要還是仰賴切片檢測所得到的影像。所謂的切片檢測,就像到腫瘤細胞大本營去刺探敵情,醫生藉由手術開刀、内視鏡或針筒取得檢體組織,透過這第一手的情報,來判識腫瘤型態和病情嚴重程度,才能擬定對抗癌細胞的有效戰略。

麻煩的是,顯微鏡下的切片樣本只能看見同一平面上的細胞間交互作用,組織上還有用來標示特定蛋白質活細胞的螢光染劑。要把有著會互相干擾螢光訊號的樣本影像,拼接成可以觀察細胞交互作用的三維影像,可讓腫瘤學家傷透了腦筋。不過這個難題的解方,就剛好掌握在以望遠鏡觀察無數星星的天文學家手中!

有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。天體在宇宙中的相對位置與相互關係,也類比於細胞間的交互作用。這般異曲同工之妙,讓美國約翰 · 霍普金斯大學的腫瘤學家和天文學家決定並肩作戰,利用天文學的影像處理工具,來建立分析腫瘤切片影像的模型,這個跨領域碰撞的研究成果——AstroPath,更在今年 6 月登上 Science 期刊。

天體
有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。圖/pixabaywikipedia

臺灣打造全球第一個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

腫瘤學家和天文學家的跨界合作,大大提高了組織切片影像分析的效率,表現令人贊嘆。不過臺灣研究團隊跑得更前面,直接突破傳統薄切片的限制,以獨家專利取得組織完整的立體影像,還進一步藉助人工智能之力,創立全世界首個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

這個實現 Taiwan No.1 的團隊,緣起於國立清華大學生科系的楊嘉鈴教授研究團隊,邀請清華大學腦科學中心江安世院士團隊、分子與細胞生物所張大慈教授團隊及清華大學腦科學中心林彥穎研究員,携手合作克服過去 3D 組織影像的技術瓶頸。透過科技部價創計劃的輔導,承接了光電、生醫、影像及 AI 各領域最先進技術的捷絡生物科技股份有限公司 (JelloX Biotech Inc.) 在 2018 年成立。

捷絡生技獨步全球的病理檢驗平臺,包含了關鍵的三大部分:(1)快速組織澄清、(2)高速影像擷取及(3)3D 人工影像智慧分析。

流程示意圖
3D 人工智慧影像分析流程示意圖。圖/捷絡生技公司

過去 3D 組織影像無法實現,最大的難點,在於無法突破組織的透光障礙。捷絡生技專利化的光學組織澄清技術,最厲害之處是讓檢體樣本不被破壞就可以「變透明」,達到清水般的穿透率。傳統樣本處理,會經過物理切片及脫水,組織結構發生形變無可避免,讓病理全貌難以被量化和標準化來進行評估。但這項獨家的組織澄清處理技術,可最大程度保存樣本原來的面貌,還能讓樣本進行重複染色,再利用於各式生物檢驗。更重要的是,不再是單一切面的樣本,讓全自動影像掃描擷取,從不可能變得可能。

把檢體樣本透明化之後,研究團隊接著以高速鐳射顯微鏡,對樣本進行全身掃描後,數位縫合平行多叠影像。只要搭配適當的染色技術,就可迅速取得比傳統檢測還多百倍資訊量的高精度 3D 腫瘤影像。這些病理組織樣本的全景 3D 細節,讓醫生可以更清楚判別癌細胞的型態、分佈與周圍細胞的交互作用。

研究團隊也沒有停留在 3D 影像產製的完善,更抓緊大數據、巨量分析的趨勢,目標是要提供 AI 自動化病理組織影像分析。研究團隊建立不同癌症的 3D 數位病理影像資料庫,讓電腦進行機器學習,透過癌組織的特徵辨識訓練,目前已可得到超過 90 % 的準確度。AI 自動化分析能克服傳統人工判讀模式潛藏的誤差(如不同判讀者的差異、視覺疲勞與檢體採樣量不足等問題),大大減輕臨床病理醫師的工作負擔,加快診斷的效率。癌症的治療,就像與死神賽跑,所以盡速決定對風險最小、成效最佳的療法,對提高病患的存活率至關重要。

未來,捷絡生技這個領先全球的 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺,預期可實際應用在檢測藥物的穿透性、篩選適合免疫療法的病患、分析腫瘤微環境等方向。不管是從美國或是臺灣的例子,都讓我們看見不同領域相互激蕩的成果,並非止步於學術象牙塔的研究,而是可以被實際應用在日常生活中的技術。

參考資料

 

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科技大觀園_96
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