下墨与发墨的科学解释

下墨与发墨的科学解释

下墨与发墨的科学解释（转载）墨锭在砚石上研磨而产生书画用墨汁的过程被俗称为“发墨”或“下墨”。这一过程，从表面现象看是墨条被摩擦而使墨质脱离，即所谓“下墨”，同时脱落的墨质在水中溶解并随磨墨的过程而逐渐均匀，使碳分子团均质悬浮于水中，即所谓“发墨”。但本质上，这一过程是一系列物理作用和化学作用交互发生的结果，可以化为 “分解”、“溶解”、“搅拌”三个理化作用过程，而且三个作用是同时交互产生的。

分解是在墨条与砚台表面相互摩擦力的作用下，使墨质从固体墨块上分离的过程。这个过程是物理作用。主要由碳分子团和蛋白胶分子团组成的墨质在摩擦力作用下，其内部应力（键力）结构被破坏，使墨质脱离墨条。

溶解是墨质在水中溶解的过程，这个过程是由两个作用组成的，其一是碳分子团和动物胶分子团在水的表面张力作用下，与水分子交换能量，表面活性增强，使分子团向水中扩散，这个过程既存在于“下墨”的过程中，也存在于“发墨”的过程中，这是个物理过程；其二是一部分碳分子或胶原蛋白分子发生电离，与水分子形成水合分子的过程，这是个化学过程。扩散作用和水合作用是墨质溶解的主要原理。对于碳分子而言扩散作用是墨汁质量的关键，而碳分子的水合作用是“副作用”，对墨色不利。因为若碳分子以离子形式存在的话，它不呈黑色，而是无色的，我们看到的黑色的碳实际上是碳分子按照特定结构构成的分子团（比如钻石的元素是碳，但由于结构的原因，它不呈黑色），这种分子团结构稳定，不宜被溶解，也不宜被磨碎。对于动物胶而言，溶解的过程即有扩散也有水合，而水合作用是关键，它能够使动物蛋白的分子链（肽键）断裂，并与水分子水合，从而部分解除胶原蛋白的冻力，形成被水分子“包围”的短链胶原蛋白分子团，由于它被水分子包围而形成的亲水性，使它与水分子形成较稳定的均质结构，成为了托起碳分子团的网架。“溶解”是磨墨而产生墨汁的的主要原理，而摩擦分解仅起辅助作用，从理论上说，仅将墨块置于水中，不进行摩擦，也可以产生墨汁。墨条的质量是决定“发墨”的关键因素，也是决定墨汁质量的关键因素，而非砚台。

搅拌是在磨墨过程中，通过墨条与砚台的磨擦运动，使墨质均匀地与水分子接触，使已扩散的分子团和水合的离子团在水中均匀分布的过程。“搅拌”作用，增加了分子团的动能，加速了扩散作用；增加了分子团与水离子接触的机会，有利于水合作用的发挥。
“分解”、“溶解”和“搅拌”三种物理化学作用，在磨墨的过程中是交互作用、同时发生的。

在磨墨过程中，砚台是“分解”过程的工具，也是“溶解”和“搅拌”过程的容器。砚台磨面的“沙砾体”被认为是砚台质量的关键，石质越紧密，“沙砾体”就越细，则认为砚石质量越好。“沙砾体”精细，使“分解”过程中脱离的墨质颗粒细小，从而增加了墨质与水分子接触的面积和机会，有利于“溶解”过程的进行。在墨条质量相同的情况下，“沙砾体”细密的砚台，下墨快，这是因为“下墨”的过程是“分解”与“溶解”作用同时进行的，越是细小的墨质越容易“溶解”。

“下墨”也好，“发墨”也好，是“溶解”过程在起主要作用，而溶解过程的关键是动物胶在水中的扩散和水合。这就涉及到蛋白质化学的理论了，主要是蛋白质的变性原理和蛋白分子衰变原理。墨条中的胶是动物胶，主要成分是胶原蛋白。这种蛋白是由多种氨基酸在肽键作用下构成的高分子化合物，有三级结构，而在熬胶蒸胶的过程中，它的结构已经被有意识地、适度地破坏了，也就是已经变性为制墨所需的冻力和黏度。但它的变性是适度的，部分肽键断裂，但随着脱水过程可以复性，而形成新的结构，这种新的结构是高分子通过键的作用重新构成的，所谓制墨中的“十万杵”，就是使碳分子团事先均匀分布在这一结构之中。在磨墨过程中，水分子通过表面张力、离子电能、分子动能来拉断蛋白的键结构，使动物胶的分子结构发生改变，要么扩散至水中，要么发生水合作用，形成被水分子“包围”的高分子团，实际上溶解过程改变了胶原蛋白的结构，使它与水形成稳定的结构。在制墨过程中，蛋白质形成的新结构是决定磨墨“溶解”状况的关键，而这一新结构中的键的力量和分子团的构造是关键，键力越是小于水分子的能量，越容易溶解，但如键力过小，则冻力不足，墨条在生产和保存中容易断裂（墨条开裂主要由键力起作用，而非“重胶”、“轻胶”，比如有人用键力大的明胶做墨，定不会开裂，但无法发墨了）。键力的形成取决于两个因素，一是动物蛋白的种类（皮胶、骨胶等），二是蒸胶工艺。其中蒸胶工艺是关键。从理论上讲，只要蒸胶工艺适当，无论何种动物胶均可以达到制墨所需的要求。动物胶的冻力和黏度在一定温度和压力下，通过一定时间的蒸煮，达到制墨用胶的要求（比如说冻力为X，黏度为P，由于工艺保密，用字母代替）。骨胶是高冻力、低黏度的动物胶，在科学的工艺条件下（温度、压力、时间、步骤），它可以达到X、P的指标。皮胶（特别是广胶）的冻力和黏度比较接近X、P，所以它的蒸胶工艺比较简单。之所以有人认为对制墨而言，皮胶一定比骨胶好，是因为没有区别两种不同的蒸胶工艺的缘故。在X、P相同的情况下，皮胶和骨胶在脱水后形成新结构时，所产生的键力和高分子构造基本是相同的。所以，问题的关键是在蒸胶时要使X、P达到制墨的要求指标，这一点不少墨厂是没有注重的。

蛋白质在形成新的结构后，它会随着时间的推移，生产衰变。对磨墨而言，就反映在胶原蛋白的键力变化上。按照蛋白质衰变的原理，胶原蛋白的键力随时间变化成倒抛物线（象倒过来的锅底），纵轴是键力，横轴是时间。对发墨而言，墨随着时间延续，键力从低到高再逐年走低，也就是从宜发墨到难发墨再到宜发墨的过程。至于这个时间序列的具体值是由蒸胶、脱水工艺和保存条件决定的，目前尚未见到科学实验的数据。对于老墨，有的觉得好发墨，有的觉得难发墨，如果胶的质量相同的话，就看它处于上述曲线的那一段了。