Az ioncserélő gyöngy víz alá ír – Fizika világa

Az ioncserélő gyöngy víz alá ír – Fizika világa

Időbélyeg: 9. október 2023. 9:00

Válogatás vízben rajzolt képekből, köztük formákkal és betűkkel
Vízírás: Ahogy a gyöngy mozog, a vízben lévő maradék kationokat protonokra cseréli, és így az alacsonyabb pH láthatatlan nyomát követi a folyadékban. Lineáris skála: 250 µm. (Jó: ill./©: Thomas Palberg, Benno Liebchen)

Az íráshoz szükség van egy hordozóra, például agyagra vagy papírra, amely rögzíti az írott vonalakat és betűket. Ugyanezt folyadékban, például vízben nem lehet megtenni, mert a toll mozgása turbulenciát hoz létre, amely gyorsan eltünteti a tintanyomokat. Elvileg ezt a turbulenciát egy nagyon apró tollal is el lehet távolítani, mivel a kisebb mozgó tárgyak kevesebb örvényt hoznak létre, de még egy apró tollhoz is jelentős mennyiségű tinta kell, ami kiiktatja a méretbeli előnyöket. A vízírás, úgy tűnik, kudarcra van ítélve.

Vagy ez? A kutatók vezetésével Thomas Palberg Németországé Johannes University Mainz (JGU) most kifejlesztettek egy teljesen új vízírási technikát, amely magában foglalja a „tintát” közvetlenül a vízbe helyezve, és egy 20-50 mikron átmérőjű gyöngyöt használnak „tollként”. Ez a gyöngy túl kicsi ahhoz, hogy bármilyen örvényt generáljon, magyarázza Palberg, és ioncserélő gyantából készült, amely megváltoztatja a víz helyi pH-értékét, ezáltal vonzza a nyomaihoz az ülepedt kolloid részecskéket – a tintát. Az új technika a folyadékok rajzolására és mintázására egészen a mikroskáláig használható.

Nincs örvénylés

Megközelítésükben, amelyet részletesen a Small, a kutatók a gyöngyöt egy vízfürdő alján görgetik át. Ahogy a gyöngy mozog, a vízben lévő maradék kationokat protonokra cseréli, és így az alacsonyabb pH láthatatlan nyomát követi a folyadékban. Ez a pálya vonzza a (finom diszpergált) tintarészecskéket a diffúziós-ozmotikus áramlásnak vagy forézisnek nevezett jelenségnek köszönhetően. A részecskék így felhalmozódnak a gyöngy által kijelölt úton. Az eredmény: csak néhány tíz mikron széles, finom vonal jelzi a legalacsonyabb pH-érték területét.

Bár az így előállított vonalak nem állandóak, Palberg szerint tartósak. „Mivel nem képződnek örvények, a tintarészecskék diszperziója tisztán diffúzív, ezért nagyon lassú” – magyarázza.

A sorok közötti térköz létrehozásához a csapat egyszerűen be- és kikapcsolta az ioncsere folyamatot lézerfénnyel. Az ívelt formák, például a betűk létrehozása némileg bonyolultabb, mivel a vízfürdőt meg kell dönteni, hogy a gyöngy a gravitáció hatására elmozduljon. „Első próbálkozásaink során kézzel mozgattuk a vízfürdőt, de azóta egy programozható színpadot építettünk erre” – mondja Palberg.

„Nem létezik más ilyen technika szabadon felfüggesztett és újrakonfigurálható vonalak előállítására” – teszi hozzá. „Ma minden ismert módszer szilárd hordozóra támaszkodik a tartályból lerakódott tinta rögzítésére.”

A kutatók matematikai szimulációi szerint a megközelítés általános, így sokféle formában alkalmazható. „Az ioncserélő gyantából készült gyöngyök mellett lézerrel felmelegíthető részecskékből álló „tollakat”, vagy akár egyénileg irányítható mikroúszókat is lehetne alkalmazni” – mondja a csapat tagja. Benno Liebchen, a lágyanyag-fizikus at TU Darmstadt, Németország. „Ez akár a vízben lévő szerkezetek kiterjedt párhuzamos írását is lehetővé tenné. Ennélfogva a mechanizmust arra is fel lehet használni, hogy rendkívül összetett sűrűségmintákat generáljunk a folyadékokban.”

A csapat azt állítja, hogy jelenleg a technikájának finomításával van elfoglalva, és a nagyobb léptékű, centiméteres területeken való minták létrehozásának módjait keresi.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa