Ionenaustauscherkügelchen schreibt unter Wasser – Physics World

Beim Schreiben ist ein Untergrund wie Ton oder Papier erforderlich, um die geschriebenen Linien und Buchstaben zu fixieren. Das Gleiche ist in einer Flüssigkeit wie Wasser nicht möglich, da die Bewegung des Stifts Turbulenzen erzeugt, die Tintenspuren schnell verschwinden lassen. Im Prinzip könnten Sie diese Turbulenzen durch die Verwendung eines sehr kleinen Stifts beseitigen, da kleinere, sich bewegende Objekte weniger Wirbel erzeugen, aber selbst ein winziger Stift würde einen beträchtlichen Tintenvorrat erfordern, wodurch jeder Größenvorteil zunichte gemacht würde. Das Schreiben auf Wasser scheint zum Scheitern verurteilt zu sein.

Oder ist es? Forscher unter der Leitung von Thomas Palberg von Deutschland Johannes-Universität Mainz (JGU) haben jetzt eine völlig neue Wasserschreibtechnik entwickelt, bei der die „Tinte“ direkt ins Wasser gegeben und eine Perle mit einem Durchmesser von 20–50 Mikrometern als „Stift“ verwendet wird. Diese Perle sei zu klein, um Wirbel zu erzeugen, erklärt Palberg, und sie bestehe aus einem Ionenaustauscherharz, das den lokalen pH-Wert des Wassers verändert und dadurch sedimentierte kolloidale Partikel – die Tinte – in seine Bahnen lockt. Mit der neuen Technik könnten Flüssigkeiten bis in den Mikromaßstab gezeichnet und strukturiert werden.

Keine Wirbel

In ihrem Ansatz, der detailliert beschrieben wird in Klein, rollten die Forscher die Perle über den Boden eines Wasserbades. Während sich die Perle bewegt, tauscht sie restliche Kationen im Wasser gegen Protonen aus und zeichnet so eine unsichtbare Spur eines niedrigeren pH-Werts in der Flüssigkeit auf. Diese Spur zieht die (fein verteilten) Tintenpartikel dank eines Phänomens an, das als diffusionsosmotischer Fluss oder Phorese bekannt ist. Die Partikel lagern sich somit auf dem durch die Perle vorgegebenen Weg ab. Das Ergebnis: Eine dünne Linie mit einer Breite von nur wenigen zehn Mikrometern markiert den Bereich mit dem niedrigsten pH-Wert.

Obwohl die so hergestellten Linien nicht dauerhaft sind, sagt Palberg, dass sie langlebig sind. „Da keine Wirbel entstehen, erfolgt die Verteilung der Tintenpartikel rein diffusiv und daher sehr langsam“, erklärt er.

Um Zwischenräume zwischen den Linien zu schaffen, schaltete das Team einfach den Ionenaustauschprozess mithilfe von Laserlicht ein und aus. Das Erstellen geschwungener Formen wie Buchstaben ist etwas schwieriger, da das Wasserbad geneigt werden muss, damit sich die Perle unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt. „Bei unseren ersten Versuchen haben wir das Wasserbad von Hand bewegt, inzwischen haben wir dafür aber einen programmierbaren Tisch konstruiert“, sagt Palberg.

„Es gibt keine andere Technik dieser Art, um frei schwebende und rekonfigurierbare Linien zu erzeugen“, fügt er hinzu. „Alle heute bekannten Methoden basieren auf festen Substraten, um die aus einem Reservoir deponierte Tinte zu fixieren.“

Auf erstarrenden Metalllegierungen bilden sich „Zebrastreifen“-Muster

Den mathematischen Simulationen der Forscher zufolge ist der Ansatz generisch und könnte daher in verschiedenen Formen eingesetzt werden. „Neben Perlen aus Ionenaustauscherharzen könnten auch ‚Stifte‘ aus Partikeln zum Einsatz kommen, die mit Lasern erhitzt werden können, oder sogar einzeln steuerbare Mikroschwimmer“, sagt Teammitglied Benno Liebchen, ein Physiker für weiche Materie bei TU Darmstadt, Deutschland. „Dies könnte sogar ein weitgehend paralleles Schreiben von Strukturen im Wasser ermöglichen. Daher könnte der Mechanismus auch zur Erzeugung hochkomplexer Dichtemuster in Flüssigkeiten genutzt werden.“

Das Team sagt, es sei derzeit damit beschäftigt, seine Technik zu verfeinern und Möglichkeiten zu erkunden, Muster über größere, zentimetergroße Bereiche zu erstellen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ion-exchange-bead-writes-under-water/