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难以控制的墨水




当然,对于那些用铁胆墨水书写的人来说,不可消除性也是它的缺点之一。我现在用来填写海关申报单的圆珠笔不需要我把笔尖蘸到墨水瓶中,所以笔的外侧没有任何墨迹。我的指尖依然和此前用洗手液洗完时一样干净。在书写史上的大部分时间里,情况显然不是这样的。墨水会流得到处都是,尤其是书写者的手上,而且铁胆墨水的持久性很强,并不会轻易地脱落,当然也不能被肥皂清洗掉。人们对此颇有怨言,但具有讽刺意味的是,有一些抱怨恰是用铁胆墨水写下来的。在10世纪,马格里布(现在的非洲西北部地区,包括阿尔及利亚、利比亚、摩洛哥和突尼斯等国)的哈里发受够了铁胆墨水,他要求工程师提出解决方案。在限期内,公元974年,他拿到了有史以来第一支钢笔。这支笔将墨水藏在内部,而且很明显不会泄漏,即便是将其倒置。不过我不得不说,这似乎不大可能,不是说当时的工程师不够聪明,而是因为钢笔在接下来的1000年里又被重新发明了很多次,直到19世纪晚期,经过了无数次的反复试验后,靠谱的钢笔装置才被发明出来。列奥纳多·达·芬奇在16世纪时也有过尝试,有证据表明,他制作出了一种笔,能连续写出墨色均匀的笔迹,而当时常用的鹅毛笔则会越写越淡。17世纪的时候,塞缪尔·佩皮斯(Samuel  Pepys)在日记中提到了钢笔,他写道,他可以随身携带一支钢笔却不需要带上墨水瓶。但是那些钢笔并不完美,他还是喜欢用羽毛笔,当然,还有铁胆墨水。

19世纪,钢笔的专利激增。不过,尽管它们带有能自由流动的墨水,但没有人找到控制墨水流动的方法,所以墨水还是有可能一下子全部喷出笔头,并在纸上留下巨大的墨团。人们不能单纯地将墨囊的开口做得很小,因为小孔会彻底阻挡墨水流出,如果是一个中等大小的孔,墨水就会偶尔流到纸上。钢笔的发明家们逐渐明白,导致这种现象的是空气,以及在墨囊内形成的真空。

当你试图从容器中倒出液体时,你必须用别的东西替代液体的位置,否则容器内会形成真空,阻止更多的液体从中流出。当你从瓶中喝水的时候,用嘴堵住整个瓶口,就会注意到这一点。当空气奋力地进入瓶中替代你所喝的液体时,液体就会喷涌而出。每一次喷涌,对应的都是空气强制进入瓶子的过程,由此可以阻止液体流出。于是,这只能交替发生——液体流出,空气进去,液体流出,空气进去,咕咚、咕咚、咕咚……如果你在喝水的时候把瓶口留出一半,就可以连续地喝水了,不会再出现喷涌的现象,因为空气可以更平稳地进入瓶内。这也是用咖啡杯或玻璃杯这类广口容器喝饮料更容易的原因。

但是,早期的钢笔并不能将空气注入墨囊中,所以很难让墨水连续地流到纸上。在墨囊顶部钻个洞,似乎是个显而易见的解决办法,但是如果你把笔倒过来,它就会到处漏墨。这个难题让每个人都一筹莫展,直到1884年,美国一位名叫路易斯·沃特曼(Lewis  Waterman)的发明家改进了一种金属笔尖的设计,可以通过重力和毛细作用使墨水沿着凹槽流动,而空气则以相反的方向进入墨囊。他的这项设计让钢笔进入了黄金时代,钢笔就是那个时代的手机,改变了人们的交流方式,是每个人梦寐以求的东西。拥有一支钢笔说明你是个举足轻重的人物,因为你需要随时随地写字。就像早期的手机,或是第一代笔记本电脑,以及之后出现的任何一种电子产品一样,它非常酷。

但是,还有另一个问题不可避免。铁胆墨水通常是高酸性的,所以会腐蚀全新的金属笔尖,里面通常也会含有细小的颗粒物,当你在纸上写字时,这些颗粒物便会在墨水中显现出来,或是堵塞笔尖使墨水流不出来。人们会因此而生气,愤怒地摇着笔,试图把那些明明看不见却会弄脏笔迹的东西甩出来,但是在这个过程中,他们可能会把墨水洒在咖啡馆,或是身边无辜路人的衣服上。钢笔的技术可能已经完善了,但墨水还没有。是时候换掉铁胆墨水了。

然而,这是一个复杂的问题。墨水特殊的化学性质以及它的各种特征、可以在笔杆中流动却不会腐蚀笔杆的能力、它与纸发生的反应、可以画出永久标记却快速干燥的能力,都必须全部考虑周到,用工程术语来说,这是一个“多重优化”的问题。最终,很多解决方案出炉了,每个钢笔制造商都在他们的设计中加入了一个不同的解决方案,所以,如果你买了一支钢笔,商家会坚持让你使用他们特别配制的墨水。例如,派克钢笔公司在1928年推出了“昆克”(Quink)墨水,解决了墨水渍的问题。他们将合成染料与酒精结合起来,制造出一种在笔杆中流动性很好的墨水,但在接触到纸张后很快就干了。不幸的是,它也会对最开始用来制造钢笔的塑料造成化学腐蚀,赛璐珞便是如此。它也不防水,所以如果纸张变湿了,墨水就会重新开始流动,通常会分离出构成墨水的各种染料,比如,黑色墨水会分离成黄色和蓝色,最终这将导致笔迹难以辨认。



非牛顿流体是什么?


不过,尽管存在这些问题,大多数钢笔制造商还是坚信,钢笔就是未来的发展方向,对墨水进行优化会让书写工具变得好用、便携。但是,匈牙利发明家拉斯罗·比罗(László  Bíró)有个完全不同的想法,他把优化的重点放到了笔头上。在成为发明家之前,他曾是一位记者,并注意到报纸印刷厂使用的墨水非常好,干燥起来出奇地快,很少弄脏纸张或形成墨点。但这种墨水太黏了,不适合用于钢笔,它们不流动,会把钢笔粘住。所以他想到,与其更换墨水,不如重新设计钢笔。

拉斯罗·比罗发表在报纸上的文章,被一组由滚筒制成的印刷机印刷出来,滚筒将墨水压在一张连续的纸上。为了让数百万份报纸连夜送到全国读者的手中,它们必须被快速地印刷出来。这些纸张以每小时数千页的速度在印刷机上印刷,因此油墨必须立即变干,否则页面会在被叠成报纸的时候变脏。为了达到这一要求,拉斯罗非常欣赏的印刷油墨被发明出来了。当拉斯罗在思考如何制作一支更好的钢笔时,他想到了在这么小的笔尖上重新模拟印刷的过程。他需要一种可以连续给笔尖上墨的滚筒,最终,他灵机一动,想到可以用一颗小圆珠。但是,为了将墨水辊印在纸上,如何把墨水粘到小圆珠上呢?他认为印刷机的油墨可能太黏稠了,重力无法将它从墨囊中拽到小圆珠上。不过,一个神奇的物理现象成了他的救星——非牛顿流体。

液体流动的速度和施加在液体上的剪切力之间存在某种关系,我们称之为黏度。所以,像蜂蜜这种很稠的液体具有高黏度,并且流动缓慢,而像水这样的稀液体则具有低黏度,并且能在相同的作用力下迅速流动。对于大多数液体来说,如果你对它增加了作用力,其黏度会保持不变,这叫作牛顿流体。

但是,有些液体很奇怪,它们没有表现出牛顿流体的特征。比如,如果你把玉米粉和一些冷水混合,经过轻轻搅拌后,这种混合物就会变成一种流动性很好的液体,但是如果你试图快速搅拌这种液体,它就会变得非常黏稠,以至于像是一种固体。你可以朝它的表面锤击,它不会飞溅出去,而是像固体一样抵御你的拳头。这就是我们所说的非牛顿流体,液体没有一个限定其流动性的黏度。

这种玉米粉液体有时也被称为“欧不裂”(这个名字出自苏斯博士的《巴塞洛缪与欧不裂》一书)。欧不裂的非牛顿流体表现完全是由它的内部结构造成的。在微观层面,欧不裂充满了微小的淀粉颗粒,玉米粉稠密地悬浮在其中。低速运动时,淀粉颗粒有足够的时间找到彼此间流动的路径,有点像乘客离开拥挤的火车,这是它们正常流动时的状况。但是,当它们被施加压力并快速流动时,也就是你试图快速搅拌欧不裂或是锤击它的表面时,淀粉颗粒没有足够的时间发生彼此间的相对位移,因此它们便停在了各自的位置上。试想一下,如果火车前部的乘客站着不动,那么后部的乘客也不能移动。同样,一部分淀粉颗粒的阻隔也会让其他淀粉颗粒动弹不得,所以液体会被固定住,并变得越来越黏稠。

欧不裂不是唯一的非牛顿流体。如果你曾经用乳胶漆粉刷过墙壁,你可能会注意到,当油漆在桶里的时候,它是非常黏稠的,就像果冻一样。但是如果你按照油漆桶外的说明将其彻底混合,你便会发现,油漆会在搅拌时变成液体,等你停下来的时候,它又会变得像果冻一般。这也是非牛顿流体的表现,但是在这个过程中,施加外力的结果不是让液体变得更黏稠,而是更容易流动。同样是因为液体的内部结构。乳胶漆就是一种悬浮了很多微小油滴的水。当这些微小油滴保持不动时,它们会互相吸引,形成微弱的键,将水锁在其中并构成一个脆弱的结构,就像果冻一样。当你搅动乳胶漆时,将油滴固定在一起的分子键就会断裂,并释放出水分使其可以流动。当你用油漆刷用力地将这种漆涂在墙上时,也会出现同样的情况。但是,一旦乳胶漆刷到了墙上,它就不再受到压力作用,油滴之间的结合键又会重新生成,乳胶漆也会再次变得黏稠,形成一层不会脱落的厚涂层。不过,这只是在理论层面。很明显,这一切都取决于乳胶漆的配方师如何更好地控制油滴之间的结合力,以及油滴的大小与数量。要想使平衡恰到好处,就需要做很多工作,所以花很多钱去买一桶好漆是非常值得的。

即便你不是油漆工或装修工,也会在厨房里碰到非牛顿流体。与乳胶漆一样,番茄酱也会在压力之下变稀。它不会流动,除非你拍打瓶子,置番茄酱于足够的剪切力下,它会突然变稀,并从瓶子里喷溅出来。所以你很难控制番茄酱从瓶中流出的速度,如果力道不够,它的流动速度会非常缓慢,可一旦你用力过猛,它的黏度就会突然下降,溅到你的盘子上。

沙子和水混合在一起形成了流沙,一种很危险的非牛顿流体现象便会发生。流沙在加压之前的状态是半固体,但在加压后会变稀并形成流体,也就是液化。所以,当你踏入流沙时,你越挣扎扭动试图逃生,液体越稀薄,而你就会陷得越深。但是不管你在电影中看到什么,你都不太可能会因陷入流沙而死,因为流沙是一种比你的身体密度更大的液体,一旦流沙淹没到你的腰部,你便会重新漂浮起来。不过,要想逃出去还是相当困难的,如果你不动,周围的液体就会变稠、变硬,如果你不停挣扎,它就会变稀,让你很难站稳脚跟。换句话说,你会被困在那里直到获救,而这才是它致命的原因。

比流沙更危险的是地震时出现的液化,这又是一个非牛顿流体致命的例子。在这个过程中,地震震动产生的应力使土壤液化,通常会造成巨大的破坏。2011年发生在新西兰的地震,袭击了克赖斯特彻奇市,引发了严重的土壤液化,摧毁了很多建筑物,并向城市中喷出了数千吨沙子和淤泥。