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2021-05-31麻瓜也能輕鬆擁有的隱形墨水？ 解開感溫墨水變色之謎！
618 期
Author 作者
陳瑋駿／清華大學化學系碩士，中興大學化學系學士。現職科技業工程師，著有《化學有多重要，為什麼我從來不 知道？》一書。
在《哈利波特》（Harry Potter）的魔法世界裡，如果你想寫一些只讓特定人士知道的祕密，那你也許需要「隱形墨水」來幫忙。這種透明無色的墨水能讓你在振筆疾書之後，整張紙還看起來完好如初。如果想讓字跡現形，只需要拿著魔杖，指向紙張並喊出現形咒「阿八拉象」（Aparecium，〔註〕），秘密便會隨之浮現。
〔註〕「阿八拉象」為《哈利波特》世界中的咒語，其功能是讓隱形墨水現形。
不論你有沒有看過《哈利波特》，相信正在看這篇文章的麻瓜們〔註〕心裡也曾對這個魔法世界充滿各種想像。為了實現每個麻瓜心中的浪漫，我們的科技不是正在進步，就是正在進步的路上，隱形墨水至今已經不是什麼稀奇的事了，只要走一趟書局，掏個幾十塊帶一隻擦擦筆即可輕鬆擁有它！擦擦筆乍看之下和一般原子筆沒什麼兩樣，只是筆尾多附上了一個特製的橡皮擦，但只要拿這個橡皮擦來回擦拭寫過的字跡，字跡就會立即消失無蹤，如同隱形墨水一般。
〔註〕在《哈利波特》世界中，麻瓜是指不諳魔法的普通人。
正因為這種走過不留痕跡的特性，你可以在每支擦擦筆的筆身找到「請勿使用於有價證券，或須署名等重要文件」的警語，看來文具公司早就知道，每個人心裡都或多或少想藉由科技來盤算一些壞壞的事──可惜他們的擔憂還是成真了。早在2012年，就曾有暴力討債集團使用擦擦筆竄改本票的數字，盜領被害人的帳戶；而在去（2020）年，斗大的新聞標題也寫著警光山莊的警員利用擦擦筆，更改房客入住資訊浮報金額補貼己用。
冷凍，就是你的阿八拉象！
相信很多讀者時常對於社會上諸多不公不義的事件感到義憤填膺，既然如此，我們能藉由破解擦擦筆的墨水，揪出這些人的惡形惡狀嗎？魔法世界裡有「現形咒」來使隱形墨水顯色，但在麻瓜的世界裡面，有沒有屬於麻瓜們的現形咒？答案不僅肯定，而且破獲警光山莊案的警察也相當熟稔這個「咒語」。他只做了一個動作，就讓字跡浮出紙面，令犯人百口莫辯、乖乖就範，答案就是：冷凍。
在知道為什麼「冷凍」可以讓字跡無所遁形之前，我們應該先了解為什麼只要擦拭就可以讓字跡消失？先來觀察一則2017年10月的新聞標題，試著解出真正讓字跡消失的關鍵：
擦擦筆寫作業悲劇！墊泡麵驚見「超狂麥田圈」
這個悲劇的主角是一位男大生，他用擦擦筆將課堂心得寫在白紙上，沒想到只是在宿舍泡泡麵時，順手將這張心得紙墊在下方，好不容易洋洋灑灑寫下的心得卻消失了，紙上還出現了一個和泡麵碗底一樣大的圓，就像麥田圈一般，讓男大生哭笑不得發文討拍。
是什麼蒙蔽了我的雙眼？
在這樁慘案中，你是否找到了字跡消失的關鍵？既然橡皮擦並沒有參與整個犯案過程，顯然，泡麵碗的「高溫」才是嫌疑更大的犯人！因此我們可以合理推論，只要擦擦筆墨水上升到特定的溫度之後，顏色就會褪去。而事實也正是如此，要證實這個論點，我們可以用其他常見的熱源來做實驗，像是拿吹風機定點對著紙張吹，幾秒鐘後字跡也會淡去。由此可知，擦擦筆隨附的橡皮擦之所以可以把字跡抹除，並不是真的把墨水除去，而是藉由摩擦生熱，讓墨水變成透明無色，肉眼看起來才會像是真的被擦掉了。
好不容易找到真因後，最重要的問題就來了：為什麼擦擦筆的墨水能夠遇熱就消失得無影無蹤呢？
擦擦筆墨水與眾不同的核心關鍵就在於墨水配方。如果把擦擦筆墨水放到高倍率的顯微鏡底下來看，映入眼簾的會是一顆顆均勻分散的小球，就像是湯鍋裡面圓滾滾、一顆顆的小湯圓，每一顆小球都是這場魔術表演發生的場所。它們是由聚合物所構成的微膠囊（microcapsule），又稱感溫染料微胞，大小僅有2～3 微米（µ m），約是頭髮直徑的1∕40。在這麼迷你的包裝當中，裝載著三樣要素：染料、顯色劑、變色溫度調整劑。
染料之所以能顯色，是因為顯色劑與它結合，雖然擦擦筆的具體成分屬於機密而無法確知，不過退一萬步來說，一般感溫墨水的染料本尊其實就是「酸鹼指示劑」的其中一種。酸鹼指示劑藉由與氫離子（H+）或氫氧根離子（OH-）酸鹼中和，進而改變分子結構，藉此讓分子上的電荷透過共振（resonance），達到更好的分散程度，影響吸收光的波長（圖一）。倘若吸收的是可見光，肉眼看見的便是吸收光的互補色，這也就是為什麼酸鹼指示劑能在不同酸鹼值呈現不同顏色。
圖一 經典的感溫油墨案例：結晶紫內酯（crystal violet lactone, CVL）
酸鹼指示劑能藉由酸鹼中和改變分子結構，使分子上的電荷透過共振達到分散效果，進而影響吸收光波長。若吸收的是可見光，肉眼看見的便是吸收光的互補色，因此酸鹼指示劑能在不同酸鹼值呈現不同顏色。
當我們知道染料的本質後，顯色劑就比較好理解了，既然是為了讓酸鹼指示劑顯色，想必顯色劑非酸即鹼。不過一般常見感溫墨水的主要成分還是以有機酸為主，像是酚（phenols）、沒食子酸酯（gallates）、羥基香豆素（hydroxycoumarins）等可以提供少量質子的弱酸性物質。
修但幾勒！所以我說那個感溫呢？
我們已經清楚了解染料與顯色劑結合後能夠顯色，但是光這樣還不夠，還缺少了「隱形」的關鍵！研發人員除了得想辦法找到一個物質讓染料與顯色劑分離之外，更重要的是，要讓墨水在什麼溫度隱形？要是墨水在過低的溫度（例如體溫）就隱形，寫字的時候除了要注意另一隻手不可以蓋到字跡，寫累了還不能趴在桌上，否則一覺醒來看到空白的紙面，便會以為剛剛寫字的記憶都只是夢一場。
而成就擦擦筆的第三個關鍵人物就是「變色溫度調整劑」，其本尊是高熔點的有機溶劑。在室溫環境時它們是固體，在微膠囊裡面安安靜靜不打擾染料與顯色劑的結合，一旦環境溫度超過熔點時，溶劑便會熔化，正式介入染料與顯色劑的兩人世界。此時，溶劑與顯色劑的結合力大於染料與顯色劑的結合力，顯色劑便會「移情別戀」與染料分手。而染料失去了顯色劑，自然也就失去色彩，達成隱形的效果（圖二）。
圖二 變色溫度調整劑的「隱形」原理
變色溫度調整劑為高熔點的有機溶劑。在室溫環境時它們是固體，在微膠囊裡不會打擾染料與顯色劑的結合；但當環境溫度超過其熔點時，溶劑便會熔化，正式介入染料與顯色劑之間。此時溶劑與顯色劑的結合力較強，使得顯色劑「移情別戀」與染料分手，而染料失去了顯色劑，自然也就失去色彩，達成隱形的效果。
因此，溫度調整劑的熔點就成為變色時機的關鍵！以擦擦筆墨水來說，官方設定在60°C 啟動變色機制。但由於擦擦筆墨水的獨特溶劑配方，就算回到室溫時，墨水也仍然能保持隱形的狀態，直到放置在低於-10°C 的環境讓溶劑凝固後，染料和顯色劑才得以再次結合並恢復原本的顏色。這也就是警光山莊案件當中，承辦警員要把墨跡拿到冷凍庫冰鎮的原因。
透過加熱導致物質改變顏色的現象，我們稱作「熱致變色」（thermochromism）。熱致變色的其中一個經典案例，是應用在2019冠狀病毒疾病（COVID-19）疫情期間的額溫貼片，它的材質是膽固醇液晶（cholesteric liquid crystals, CLCs），能透過加溫改變液晶分子間的排列結構，進而影響反射光的波長。但感溫墨水之所以加熱能夠隱形，單純只是因為熱量讓有機溶劑熔化，進而阻撓染料與顯色劑相互結合。要是沒有顯色劑的存在，加熱半天也不會見到任何變化，因此這看似為熱致變色的現象，本質上其實是「酸致變色」（halochromism）。
用感溫墨水來繽紛這個世界
感溫墨水除了可以應用在擦擦筆之外，根據變色溫度調整劑的不同，也能運用於生活上需要簡易監控溫度的場合。像是變色溫度約在10°C 的墨水可以應用在生鮮保冷領域，當顏色消失時，我們就知道要趕緊將食物移到冷藏的環境；變色溫度約在43°C的墨水則可以應用在熱食包裝，避免人們吃到燙口的食物。
但比起實務用途，娛樂用途說不定才是大家更為熟知的，像是「變色馬克杯」。創作者先在馬克杯畫上想表達的圖案，之後再於杯子外圍塗布一層黑色的感溫墨水。由於感溫墨水在常溫下顯色，因此整杯看起來黑壓壓一片。不過，一旦倒入熱水後，稍待數秒黑色便會褪去，底層圖案漸漸浮現出來，讓熱飲沖泡的過程中多了幾分驚喜與樂趣。
除了熱飲杯，也有冷飲杯的版本，有的創作者會先在杯子上繪製像是櫻花樹、煙火等圖案，並在需要顯色的地方，例如花朵、花火塗上感溫墨水。冷飲杯使用的感溫墨水和熱飲杯不同，由於冷飲杯所需的變色溫度比較低，在常溫時是透明無色，我們只要將冰飲注入後，靜待顏料顯色，此時櫻花看起來就像從枯木之中盛開、煙火也被點綴了繽紛的色彩。除此之外，不同顏色的感溫墨水之間還能混搭，或和一般墨水調色，可以達到三段、四段，甚至五段的變色。
感溫墨水的變色性質間接賦予許多物品新的樣貌，為世界創造更多美好的事物，但要是早一點知道感溫墨水變色具有可逆性，或許那位男大生在慘劇發生的當下就不會選擇發文了。只不過，我覺得比悲傷更悲傷的故事，是男大生在心得補寫完之後才PO上網，回文有人跟他講放到冷凍庫就可以救回整篇心得。
延伸閱讀
1. 感溫變色材料介紹，台北崇裕科技，2018年11月15日，https://reurl.cc/0DAn7b。
2. Rahela Kulčar et al., Dynamic Colour Possibilities and Functional Properties of Thermochromic Printing Inks, Acta Graphica, Vol. 23: 25-36, 2012.