写钢笔的物理学

在书写过程中，为什么钢笔里的墨水会随着笔尖的移动而留在纸上？我们已经用钢笔写了无数的字，但是我们可能永远不会考虑这个问题。韩国和美国的科学家认为，这实际上是笔和纸对墨水的“竞争”形成的一种现象。

在节日期间，人们表达情感的最常见的方式是一支笔、一些方形纸条和三两句祝福的话。但是有没有人想过墨水是如何从笔尖流到纸上的？来自韩国和美国的科学家在2011年12月20日发表在《物理评论快报》上的一项研究中分析了这个问题。

这项研究的带头人、韩国首尔国立大学机械工程教授何-金英光认为，“写作是人类最重要的发明之一，但奇怪的是，很少有人研究过如何从科学角度解释写作过程”。这引起了研究人员的兴趣，他们使用极其简化的墨水笔和模拟墨水以及蚀刻在硅片上的模拟纸。研究人员提出的理论包括几个方面:毛细作用使墨水克服重力等力流入细管，这种作用包括两个过程:第一，液体通过接触部位的分子吸引附着在固体上；第二，液体的表面张力。另外两个重要因素是液体的粘度和书写速度。对研究人员来说，书写过程就像纸和笔争夺墨水。

纸张上的小孔通过毛细作用吸引墨水，而墨水的粘性阻碍了这种运动。移动的笔也拖动墨水，墨水的粘性也阻碍了笔的移动。随着书写速度的变化，这两种效应会导致字迹变粗或变细。为了验证这一理论，研究人员用一些直径为0.5-1毫米的玻璃细管制作了“笔”，使用不同浓度的甘油作为“墨水”，并在硅片上蚀刻出深度和距离远小于玻璃细管直径的小圆柱体作为实验“纸”。该实验完全证实了这一理论，但研究人员表示，该结果不适用于圆珠笔。

由于纸实际上是由纤维素纤维组成的，对液体流入纤维素纤维网络过程的研究也能帮助我们理解植物是如何吸收水分的——为什么高耸的巨树不用机械泵就能把水送到顶部？此外，多孔纤维材料还可以应用于生物医学领域。