电子墨水

电子墨水是一种特殊类型的墨水，当暴露在电场中时可以显示不同的颜色。它是通过一个两步过程制成的，该过程包括产生两种色调的带电粒子并将它们封装在透明的聚合物外壳中。所得纳米粒子壳悬浮在溶剂中，直到可以将墨水施加到表面上。电子墨水于 1990 年代初首次开发，有望彻底改变印刷行业，甚至可能改变我们与世界互动的方式。

背景

墨水已经存在了几个世纪，为了展示想法，纸上墨水比电子显示器具有许多优势。纸张便于随身携带，几乎可以随时随地阅读。它不需要电源，比较耐用。但是，纸本墨水有无法更新的缺点。电子墨水的设计保留了传统纸张和墨水的优点，同时提供了更新和大容量数据存储的附加优势。

电子墨水与传统墨水类似，它是一种有色液体，几乎可以涂在任何表面上。悬浮在液体中的是数百万个含有微小双色调聚合物颗粒的微胶囊。颗粒的一侧是深色，而另一侧是对比鲜明的浅色。与磁铁类似，粒子的深色一侧的电荷与浅色一侧的电荷相反。当墨水暴露在电场中时，粒子会根据电场的电荷重新排列。当所有深色面都被吸引到表面时，墨水看起来很暗。当施加相反的电荷时，浅色面朝前，表面看起来很亮。这种在需要时从白色变为黑色或反之亦然的能力使得电子墨水非常有用。当书籍或其他表面涂有电子墨水时，它可以重新编程以显示不同的文字或图片。

印刷行业早就知道可以使用不同的点或像素来显示字母和图片。可以放置得越近的像素越多，图像看起来就越好。在标准报纸上，大约 300 像素用于一平方英寸的区域。当电子墨水以特定数量涂在表面上时，这些像素中的每一个都可以根据施加电场的方式变亮或变暗。印刷技术已经可以用每平方英寸超过 1,200 像素的电子墨水覆盖表面。这种分辨率使电子墨水适用于几乎所有印刷作品。

电子墨水显示器的工作方式很像电脑屏幕。墨水的每个像素都可以由连接的计算机控制。可以打开或关闭相邻像素组以创建字母、数字和图片。虽然这可能很难在一张标准纸上实现，但正在开发一种特殊设计的纸，它的感觉和看起来像纸，但实际上是一台微型计算机，配有大量电路来控制每个像素。然而，这种特殊的纸张并不是必不可少的，因为也可以开发出具有相同效果的特殊扫描仪。

电子墨水最有用的特性之一是去除电场后，墨水仍保持其配置。这意味着与典型的电子显示器相比，只需要少量的电力。然而，只要需要，就可以通过施加新的电场来改变配置。这意味着如果一本书是用电子墨水印刷的，它可能会在一天包含一本书的文字，然后再包含另一本书的文字。如果配备内存存储，一本电子书可以包含数千种不同的文本。

历史

虽然印刷文字已经存在了几个世纪，但电子墨水的想法是一个相对较新的发明。 1970 年代后期，施乐 PARC 的研究开发了电子书的原型。该设备使用了数百万个具有相反颜色（一面为黑色，另一面为白色）的微型磁铁，这些磁铁嵌入在薄而柔软的橡胶表面上。当引入电荷时，磁铁会翻转，形成类似于视频屏幕上像素的黑色或白色标记。该设备从未在商业上取得成功，因为它体积庞大且难以使用。

在接下来的十年里，各种屏幕被引入，电子书的想法变成了现实。然而，这些设备仍然比印刷纸更笨重。 1993 年，麻省理工学院的研究员乔·雅各布森 (Joe Jacobson) 开始研究自己排版的书的想法。他构思了使用可逆粒子的 PARC 想法的变体。最终，他创造了电子墨水，它利用包裹在透明外壳中的彩色聚合物。他于 1996 年提交了他的专利想法，并最终在 2000 年获得了一项奖励。

Jacobson 成立了 E Ink Corporation，旨在将电子墨水推向市场。第一个商业产品是 Immedia 显示器。它是一种外观和感觉就像纸牌一样的广告牌。但是，该标志涂有电子墨水，可以对其进行编程以更改其信息。 Eink预计，电子墨水最终会被用于传统墨水使用的领域，例如报纸、书籍、杂志甚至衣服。

原材料

多种原材料用于生产电子墨水。这些包括聚合物、反应剂、溶剂和着色剂。

聚合物是由化学键合的单体组成的高分子量材料。使用聚乙烯、聚偏二氟乙烯或其他合适的聚合物来制造电子墨水的带电、着色部分。这些材料是有用的，因为它们在加热时可以变成液体，在冷却时可以固化，并且可以保持稳定的偶极子持久。

将填料添加到聚合物中以改变其物理特性。由于聚合物通常是无色的，因此会向其中添加着色剂以产生电子墨水所需的对比度。这些可以是可溶性染料或粉碎的颜料。为了产生白色，可以使用无机材料例如二氧化钛。氧化铁可用于产生其他颜色，如黄色、红色和棕色。也可以使用有机染料，例如吡唑啉酮红、喹吖啶酮紫和黄烷酮黄。可以添加其他填料如增塑剂以改变聚合物的电特性。这对于电子墨水尤为重要。在生产过程中，聚合物被加热。出于这个原因，添加了稳定剂以防止其分解。热稳定剂包括不饱和油，如大豆油。添加的防护材料包括紫外线保护剂（如二苯甲酮）和抗氧化剂（如脂肪族硫醇）。这些材料分别有助于防止紫外线降解和环境氧化。

在电子墨水封装过程中，使用了各种化合物。水用于产生乳液并为发生包封反应提供载体。添加单体以产生封装壳。使用引起单体反应的交联剂。硅油是一种疏水材料，可与封装中的有色颗粒结合。当施加电场时，这种材料为粒子提供了一种液体介质。它清澈、无色且非常滑。其他凝胶或聚合物材料 电子墨水由微小的双色调带电纳米粒子组成，当暴露在电场。根据电荷的类型，粒子会被表面吸引或排斥，从而产生不同的效果。可以添加到封装中以提高系统的稳定性。

制造过程

电子墨水是以逐步的方式制造的。首先，两种对比鲜明的墨水被赋予相反的电荷。然后将墨水封装在导电微球中并涂在所需的表面上。

生产带电墨水

• 1 将两种对比鲜明的液体聚合物装入带有雾化喷嘴的单独容器中。材料保持加热，因此它们保持液态。其中一个喷嘴具有带正电的电位，而另一个具有负电位。然后使用压力迫使墨水通过喷嘴，使它们破碎成微小的颗粒并获得相反的电荷。容器彼此相邻放置，因此当墨水离开喷嘴时，它们会相互接触。由于它们具有相反的电荷，它们相互吸引并形成更大的中性粒子。
• 2 形成较大的颗粒后，让材料冷却，使其固化。这导致具有正负两面的小的双色调固体颗粒。然后颗粒经过加热元件，降低表面张力并形成更完美的球体。
• 3 然后使粒子穿过一组电极，以分离出带电不完全的粒子。当它们通过电极时，不完美的颗粒被吸引到相应的电极上，然后被去除。其余的颗粒被转移到封装区域。

封装油墨

• 4 将颗粒移入装有单体在硅油中的液体溶液的罐中。将颗粒充分混合，使它们均匀分散。该溶液与产生乳液的水相结合。乳液是油和水的半稳定混合物。电子墨水颗粒保留在被水包围的硅油中。
• 5 将交联剂添加到溶液中，使单体与自身发生反应。这会产生含有一些硅油和电子墨水颗粒的微小球体。然后可以将油墨颗粒与水相分离以用于各种应用。这可以通过蒸发和随后的溶剂洗涤来完成。
• 6 反应完成后，将电子墨水物品储存在液体溶剂中，直到可以使用为止。根据最终产品的不同，此应用过程可能涉及将液体墨水散布在专用纸张、织物或其他种类的纤维上。

质量控制

为确保电子墨水的质量，生产过程的每个阶段都受到监控。由于它是一项相对较新的技术，因此电子墨水不会大量快速生产。因此，在进行下一步之前，可以彻底测试每个步骤。检查始于对进货原材料的评估。这些材料经过了 pH、粘度和比重等方面的测试。此外，还评估颜色和外观。电子墨水完成后，会对其进行测试以确保其对电场做出正确反应。该材料可以散布在薄表面上并施加电场。表面的颜色应相应改变。还使用各种筛网测试粒度。

未来

第一批使用电子墨水的产品刚刚推出。它们是简单的双色调设备，并不比平板电子显示器更令人印象深刻。然而，后代有望拥有广泛的应用，并可能显着影响我们与世界互动的方式。电子墨水制造商的希望是，这种材料最初将被纳入户外广告牌、手持电脑设备、书籍和报纸中。但最终，电子墨水将被涂在任何表面上，例如衣服、墙壁、产品标签和保险杠贴纸。然后它将在环境中无处不在，以便可以随时随地显示任何消息。

由于目前的电子墨水产品只有两种颜色，用它制作的产品无法实现全彩显示。未来将开发更多颜色的电子墨水。科学家们仍然需要研究如何在适当的时间显示这些不同的颜色，但一旦完成，任何涂有电子墨水的表面都会变得像电视屏幕一样有趣。