イオン交換ビーズが水中で書く – Physics World

書くには、書いた線や文字を所定の位置に固定するために、粘土や紙などの下地が必要です。 水などの液体中で同じことを行うことは不可能です。ペンの動きによって乱流が発生し、インク跡がすぐに消えてしまうからです。 原理的には、非常に小さなペンを使用することでこの乱流を取り除くことができます。これは、動く物体が小さいほど渦の発生が少ないためです。しかし、小さなペンでもかなりの量のインクのリザーバーが必要となり、サイズの利点が打ち消されてしまいます。 水書きは失敗する運命にあるようだ。

またはそれは？ 率いる研究者 トーマス・パルバーグ ドイツの ヨハネス大学マインツ (JGU) は、「インク」を水の中に直接置き、直径20〜50ミクロンのビーズを「ペン」として使用する、まったく新しい水書き技術を開発しました。 このビーズは小さすぎて渦を発生させることができず、水の局所的な pH 値を変化させるイオン交換樹脂でできており、それによって沈降したコロイド粒子 (インク) をその軌道に引き付けます、とパルバーグ氏は説明します。 この新しい技術は、流体をミクロスケールに至るまで描画およびパターン化するために使用できる可能性があります。

渦巻きなし

彼らのアプローチでは、以下で詳しく説明されています。 S研究者らはビーズを水槽の底に転がしました。 ビーズが移動すると、水中の残留陽イオンがプロトンと交換され、液体中の低い pH の目に見えない軌跡が追跡されます。 このトラックは、拡散浸透流または泳動として知られる現象のおかげで、(細かく分散した) インク粒子を引き付けます。 したがって、粒子はビーズによってマークされた経路内に蓄積します。 その結果、幅わずか数十ミクロンの細い線が、最も低い pH 値の領域をマークします。

このようにして作られたラインは永久的なものではないが、パルバーグ氏は耐久性があると言う。 「渦が発生しないため、インク粒子の分散は純粋に拡散するため、非常に遅くなります」と彼は説明します。

線の間にスペースを作るために、チームはレーザー光を使用してイオン交換プロセスのオンとオフを切り替えるだけでした。 文字などの湾曲した形状を作成する場合は、重力の影響でビーズを動かすために水槽を傾ける必要があるため、やや難しくなります。 「最初の試みでは水浴を手で動かしましたが、それ以来、これを行うためのプログラム可能なステージを構築しました」とパルバーグ氏は言います。

「自由に吊り下げられ、再構成可能なラインを生成するこのような技術は他に存在しません」と彼は付け加えた。 「今日知られているすべての方法は、リザーバーから堆積したインクを固定する固体基材に依存しています。」

凝固する金属合金に「ゼブラストライプ」パターンが形成される

研究者らの数学的シミュレーションによると、このアプローチは汎用的なものであり、さまざまな形で利用できる可能性がある。 「イオン交換樹脂で作られたビーズに加えて、レーザーで加熱できる粒子で構成される『ペン』を使用したり、個別に操縦可能なマイクロスイマーを使用したりすることもできます」とチームメンバーは言う。 ベンノ・リープヒェン、ソフトマター物理学者 ダルムシュタット工科大学、ドイツ。 「これにより、水中の構造を広範囲に並行して書き込むことも可能になる可能性があります。 したがって、このメカニズムは、流体中に非常に複雑な密度パターンを生成するためにも使用できる可能性があります。」

研究チームは現在、技術を改良し、より大規模なセンチメートルサイズの領域にパターンを作成する方法を模索することに忙しいと述べている。

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