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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

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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!

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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。

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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!

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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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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【成語科學】青出於藍:用藍草提煉出的藍染染料——靛青
張之傑_96
・2023/10/04 ・1065字 ・閱讀時間約 2 分鐘

戰國時大哲學家荀子寫過一篇〈勸學〉,鼓勵大家好好學習。

文章中有這樣一段話:「青,取之於藍而青於藍;冰,水為之而寒於水。」意思是說,靛青是從藍草中提煉出來的,但顏色比藍草還要青;冰是水結凍而成的,但溫度比水還要低。

成語「青出於藍」就是從這段話演變出來的,用來比喻弟子勝過老師,或後輩優於前輩。談到這裡,讓我們造兩個句吧。

他的繪畫得自母親傳授,但已青出於藍。

名師出高徒,這些學生早已青出於藍了。

接下去要談談這個成語的科學意涵了。首先要說明的是:「青」這個字,除了有綠的意思,也有藍的意思;譬如「青天」,指藍天;青瓷,指藍色的瓷器;靛青,指一種藍色的染料,用來「藍染」,將白布染成藍色。

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譬如「青天」,指藍天。圖/pixabay

靛青,一般稱作靛藍。用來提取靛藍的植物主要有 4 種:爵床科的馬藍,豆科的木藍,蓼科植物蓼藍和十字花科的菘藍。台灣一般將藍草稱作大菁,其中最常用的是馬藍。

提取藍靛,首先要將馬藍的新鮮葉子浸泡在水中,讓葉子腐爛,溶解出藍靛。然後撈出腐爛的葉子,加入適量的石灰,攪拌,使藍靛和石灰起化學作用,待沈澱成不溶性的泥狀物,取出過濾,就可以得到藍靛。

泥狀物的靛藍,不溶於水,無法直接染色,必需先將其「還原」成暗綠色染液,這個過程稱為「建藍」。建藍的工序很複雜,限於篇幅,就不多說了。當要染的布自染缸中取出,染料一接觸空氣,就會進行「氧化」作用,再度「還原」成為不溶性的靛藍。

染布的時候,要反覆地在染缸中浸泡,取出擰乾、晾曬,讓染料與空氣中的氧起氧化作用,就會從暗綠色轉變成藍色。染的步驟重複愈多次,色調就會愈深。染好了用水漂洗,洗到水變清為止,然後以醋定色,晾乾後就大功告成了。

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藍染的時候,如果按照事先設計好的方式,把布紮起來,被紮緊的地方染色較淺,這樣就可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。

藍染可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。圖/pixabay

自從有了化學染料以後,費時、費工的藍染漸漸退出歷史舞台。然而藍染的藝術性以及個性化,使得這一流傳幾千年的工藝仍綿延不絕。如今三峽等地仍有藍染作坊,如三峽歷史文物館旁的藍染展示中心,還可供人 DIY 呢。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

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這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

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但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

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「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

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「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

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製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

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——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載