隱顯之間的化學魅力：隱顯墨水及其原理

袁傳軍

摘要： 隱顯墨水是指經過一定處理能顯出、消失或者變色的墨水。通過介紹酸堿指示劑隱顯墨水、紫外熒光墨水和紅外吸收墨水、熱致變色可擦墨水以及引發上述隱顯墨水光學性質改變的因素（包括酸堿度、光線以及溫度等），闡述了不同種類隱顯墨水顏色變化的內在機理。

關鍵詞： 隱顯墨水; 酸堿指示劑; 變色原理

文章編號： 10056629（2022）10009305

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

墨水是用于書寫、繪畫或印刷的凝膠、溶膠或溶液。在法庭科學領域，文件檢驗的一項重要工作是檢驗墨水，由于墨水種類繁多，成分復雜多變，墨水檢驗涉及了化學學科的許多理論和技術，如薄層色譜、紅外光譜、拉曼光譜、毛細管電泳等。這里我們聚焦一類具有特殊性質的墨水——隱顯墨水。狹義上，隱顯墨水是指那些在書寫時無色、處理后能夠顯色的墨水，例如用檸檬汁書寫的字跡可以通過加熱顯現出來（見圖1），與之類似的有蜂蜜水、牛奶、肥皂水、血清等；還有一些隱顯墨水能夠通過化學反應顯現出來（見表1）。由于這類隱顯墨水制備簡單、顯現效果明顯，

可以直觀反映實驗現象背后所蘊含的化學原理，設計成課堂實驗或課外活動后［2～5］，能夠在一定程度上激發學生的興趣。

正是因為這類基于隱顯墨水的教學活動視覺體驗豐富、趣味性濃厚，為進一步豐富課堂教學內容、增強實驗教學可設計性和可探究性，在上述常見隱顯墨水的基礎上，本文對隱顯墨水概念進行了合理拓展，即調節外部條件后能表現出不同的光學性質的墨水，根據不同的隱顯原理，主要介紹以下三類墨水：酸堿指示劑隱顯墨水、紫外熒光墨水和紅外吸收墨水、熱致變色可擦墨水。

1 酸堿指示劑隱顯墨水

酚酞和百里酚酞都屬于酸堿指示劑［6］，它們在常溫下為白色粉末，分子結構如圖2所示。將酚酞或百里酚酞與NaOH、乙醇配制成pH=11的溶液，就分別得到了紅色和藍色漸隱墨水。使用漸隱墨水書寫的字跡在空氣中會逐漸褪色消失，消失時間取決于墨水中各組分的配比和濃度，可從數小時到數天不等。這是由于空氣中的CO2與NaOH反應生成Na2CO3、 NaHCO3所致，如表2所示，酚酞由紫粉色變為無色的pH范圍為8.3～10.0，百里酚酞由藍色變為無色的pH范圍為9.3～10.5，字跡的pH隨著NaOH逐漸消耗而降低，低于上述范圍時便會消失。

植物中的天然色素一般處于酸性環境，很多天然色素在堿性環境中會發生變色［8］，這類色素包括從指甲花中提取的指甲花醌、從姜黃中提取的姜黃素以及從玫瑰花中提取的矢車菊素雙葡糖苷等（見表3）。不過，與酚酞和百里酚酞配制成的漸隱墨水不同，它們在變色前后都具有肉眼可見的顏色，因此需要以堿性溶液作為隱色墨水，然后將這些天然色素作為顯色劑使用。如表3所示，用Na2CO3（或NaOH等）堿性溶液在濾紙上書寫，將天然色素的乙醇溶液噴灑在字跡區域，即可使濾紙上的字跡顯現出來。若再噴灑鹽酸（或乙酸等）酸性溶液，字跡便會“溶解”于背景顏色而消失。根據以上原理，我們可以將pH>11的NaOH溶液作為隱色墨水，酚酞或百里酚酞的乙醇溶液作為顯色劑，也能達到類似效果。

深入探究天然色素乙醇溶液遇堿變色的機理，有助于理解共振穩定和酮烯醇互變異構等概念。分別以指甲花醌和矢車菊素雙葡糖苷為例，涉及的反應過程如圖3所示。根據共振理論，在弱堿性條件下，指甲花醌會失去烯醇氧上的氫原子，形成共振穩定的陰離子。電子的離域作用導致化合物吸收波長偏移，從而引起顏色變化。指甲花醌乙醇溶液在酸性條件下呈黃色，在堿性條件下會變為橙紅色，而指甲花提取物乙醇溶液的顏色變化略有區別，這是由于提取物中存在其他色素導致的。矢車菊素雙葡糖苷是玫瑰花瓣提取物中主要的色素，它在酸性條件下呈紅色，在pH=8～9的弱堿性條件下失去一個H+變為藍色，形成電中性的共振結構，這里需要考慮哪個氫原子最容易失去，以及各種共振結構的相對貢獻。

2 紫外熒光墨水和紅外吸收墨水

使用紫外或紅外隱顯墨水在紙牌背面做上標記，是紙牌魔術和紙牌游戲中常見的“作弊”手段。在正常的環境光線下，這些標記是無法用肉眼看到的，而在紫外或紅外波段，墨水中的化學物質會產生某種響應，使墨水標記顯現出來。

紫外熒光墨水中含有的熒光物質能夠在紫外光照射下發出可見熒光［10］，其實，很多生活用品中也含有性質類似的熒光物質，如洗衣液中的熒光增白劑、湯力水中的奎寧等。以一種紫外熒光墨水標記的紙牌為例，圖4（a）展示了可見光下拍攝的彩色照片（左圖）和365nm紫外光下拍攝的灰度照片（右圖），在后者中能看到明亮的“×4”標記，其原理可用圖4（a）中的光譜曲線說明：在365nm紫外光照射下，紫外熒光墨水可以將部分紫外光轉變為可見光，使標記區域在630～1000nm波長范圍內的亮度明顯高于無墨水區域。

紅外吸收墨水中的活性成分在可見光譜區具有良好的透過性能，在紅外光譜區則有強烈的吸收，巴斯夫公司生產的Lumogen IR 765和Lumogen IR 788就屬于這類物質。以一種紅外吸收墨水標記的紙牌為例，圖4（b）展示了可見光下拍攝的彩色照片（左圖）和使用配有830nm長波通濾光片的相機拍攝的灰度照片（右圖），在后者中能看到灰暗的“o4”標記，其原理可用圖4（b）中的光譜曲線解釋：紅外吸收墨水在650～1000nm有強烈的吸收，使用濾光片濾除波長小于830nm的光線，即可凸顯出標記區域和無墨水區域的亮度差異。

3 熱致變色可擦墨水

百樂（Pilot）公司的FriXion可擦圓珠筆筆芯中填充了一種熱致變色可擦墨水。在室溫下，用這種墨水書寫的筆跡是有顏色的；在較高溫度下（高于60℃），墨水會變為無色，利用塑料橡皮擦拭時產生的熱量即可消除紙上的筆跡；再將其置于較低溫度下（低于-10℃），墨水又會變回原色，擦除的筆跡就能重現。因為上述變色過程是可逆的，所以筆跡的消除和還原也就可以反復。根據公開的專利，這種墨水主要由隱色染料、顯色劑和變色溫度調節劑組成，其變色原理如圖5所示，隱色染料決定墨水顏色，但只有在與顯色劑鍵合時才能顯示顏色，而變色溫度調節劑能在高于一定溫度時阻止二者鍵合，使墨水顏色消失。

熱致變色可擦墨水的變色原理和實現手段非常復雜，在其成熟前經歷了漫長的研發過程。40多年前的一個秋天，百樂公司的一位研究人員看到樹葉一夜之間變色，他想在燒杯里重現同樣的神奇變化，于是產生了研發這種墨水的靈感。1975年，百樂公司申請了Metamo墨水專利，不過當時墨水的變色溫度范圍窄，書寫的筆跡容易自行消失，或者擦除筆跡后容易自行顯出，該問題直到2005年才得以解決。Metamo墨水微膠囊中含有3種不同組分，所以墨水顆粒相當大，為使其能順利地從筆尖流出，另一個需要克服的障礙是減小墨水顆粒尺寸，到2002年，百樂公司已經將墨水顆粒縮小到原來的五分之一（2～3μm）。隨著以上兩個問題的解決，最終促成了2006年FriXion可擦圓珠筆在歐洲的成功面市。

差示掃描量熱法測試黑色可擦墨水的結果表明，升溫時吸熱轉變發生在57～60℃（在該范圍內沒有放熱轉變），冷卻時放熱轉變發生在-3～0℃（在該范圍內沒有吸熱轉變）。因此在足夠長的時間內，如圖6（a）所示，墨水組分將在低溫下達到熱力學穩定的顯色態，在高溫下達到熱力學穩定的隱色態。以上兩種狀態中，

油墨組分相互轉變的活化勢壘都足夠高，所以它們在室溫下都能穩定存在。這是一種色滯現象，墨水的色滯曲線示意圖見圖6（b），其室溫下的顏色狀態取決于到達室溫的方向：從低于顏色轉變溫度的A點（顯色態）開始，將墨水升溫（如使用橡皮擦拭）時，它將沿著緩慢加熱路徑，在顏色變化之前達到較高溫度（約60℃），

最終在B點（隱色態）結束。將墨水從B點逐漸冷卻時，它將沿著緩慢冷卻路徑，在顏色變化之前達到較低溫度（約0℃），最終在A點結束。如果將隱色態墨水用液氮迅速冷卻到非常低的溫度，它將沿著快速冷卻路徑到達C點，此時墨水仍然處于隱色態；再將墨水從C點逐漸升溫時，它會首先從隱色態轉變為顯色態。因此，熱致變色可擦墨水能夠作為一個典型的化學教學素材，用來闡釋熱力學和動力學在化學反應中的作用。

4 結論

隱顯墨水具有許多獨特的物化性質。酸堿指示劑隱顯墨水能因酸堿度的變化發生顏色轉變，紫外熒光墨水和紅外吸收墨水能對某些波段的光產生響應，熱致變色可擦墨水的顏色狀態則會受溫度的影響。通過介紹這三類典型的隱顯墨水，涵蓋了化學科學領域的許多知識，如酸堿指示劑的變色、紫外激發熒光、紅外吸收以及熱致變色等。

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