Ionbytterperle skriver under vand – Physics World

Ionbytterperle skriver under vand – Physics World

Tidsstempel: 9. oktober 2023 kl. 9

Et udvalg af billeder tegnet i vand, inklusive figurer og bogstaver
Vandskrift: Når perlen bevæger sig, bytter den resterende kationer i vandet ud med protoner og sporer dermed et usynligt spor af lavere pH i væsken. Lineære skalaer: 250 µm. (Med høflighed: ill./©: Thomas Palberg, Benno Liebchen)

At skrive kræver et underlag, som ler eller papir, for at fiksere de skrevne linjer og bogstaver på plads. At gøre det samme i en væske som vand er ikke muligt, fordi pennens bevægelse skaber turbulens, der hurtigt udrydder blækspor. I princippet kan du fjerne denne turbulens ved at bruge en meget lille pen, da mindre bevægelige genstande skaber færre hvirvler, men selv en lille pen ville kræve et betydeligt reservoir af blæk, hvilket ophæver enhver størrelse fordel. Vandskrivning, ser det ud til, er dømt til at mislykkes.

Eller er det? Forskere ledet af Thomas Palberg af Tysklands Johannes Universitet Mainz (JGU) har nu udviklet en helt ny vandskriveteknik, der går ud på at placere "blækket" direkte i vandet og bruge en perle på 20-50 mikrometer i diameter som "pen". Denne perle er for lille til at generere hvirvler, forklarer Palberg, og den er lavet af en ionbytterharpiks, der ændrer den lokale pH-værdi i vandet og derved tiltrækker sedimenterede kolloide partikler - blækket - til dets spor. Den nye teknik kunne bruges til at tegne og mønstre væsker helt ned til mikroskalaen.

Ingen hvirvler

I deres tilgang, som er detaljeret i Small, rullede forskerne perlen hen over bunden af ​​et vandbad. Når perlen bevæger sig, bytter den resterende kationer i vandet ud med protoner og sporer dermed et usynligt spor af lavere pH i væsken. Dette spor tiltrækker de (fint spredte) blækpartikler takket være et fænomen kendt som diffusionsosmotisk flow eller forese. Partiklerne opbygges således i den sti, der er markeret af perlen. Resultatet: en fin linje, der kun måler nogle få titus mikrometer bred, og markerer området med den laveste pH-værdi.

Selvom de således fremstillede linjer ikke er permanente, siger Palberg, at de er holdbare. "Da der ikke genereres hvirvler, er blæk-partikel-spredning rent diffusiv og dermed meget langsom," forklarer han.

For at skabe mellemrum mellem linjerne tændte og slukkede teamet simpelthen ionbytningsprocessen ved hjælp af laserlys. At skabe buede former såsom bogstaver er noget vanskeligere, da vandbadet skal vippes for at få perlen til at bevæge sig under påvirkning af tyngdekraften. "Under vores første forsøg flyttede vi vandbadet med håndkraft, men vi har siden konstrueret en programmerbar scene til at gøre dette," siger Palberg.

"Der findes ingen anden sådan teknik til at producere frit ophængte og rekonfigurerbare linjer," tilføjer han. "Alle kendte metoder i dag er afhængige af faste substrater til at fikse blæk aflejret fra et reservoir."

Ifølge forskernes matematiske simuleringer er tilgangen generisk og kan derfor anvendes i en række forskellige former. "Ud over perler lavet af ionbytterharpikser, kan 'penne' bestående af partikler, der kan opvarmes med lasere, bruges eller endda individuelt styrbare mikrosvømmere," siger teammedlem Benno Liebchen, en blødstof-fysiker ved TU Darmstadt, Tyskland. "Dette kunne endda tillade omfattende parallelskrivning af strukturer i vand. Derfor kan mekanismen også bruges til at generere meget komplekse tæthedsmønstre i væsker."

Holdet siger, at det nu har travlt med at forfine sin teknik og udforske måder at skabe mønstre på over større, centimeter store områder.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden