Ionenwisselaarkraal schrijft onder water – Physics World

Ionenwisselaarkraal schrijft onder water – Physics World

Tijdstempel: 9 oktober 2023 9:00 uur

Een selectie van afbeeldingen getekend in water, inclusief vormen en letters
Schrijven in water: Terwijl de kraal beweegt, ruilt hij de resterende kationen in het water in voor protonen en traceert zo een onzichtbaar spoor van een lagere pH in de vloeistof. Lineaire schalen: 250 µm. (Met dank aan: ill./©: Thomas Palberg, Benno Liebchen)

Schrijven vereist een substraat, zoals klei of papier, om de geschreven lijnen en letters op hun plaats te houden. Hetzelfde doen in een vloeistof zoals water is niet mogelijk omdat de beweging van de pen turbulentie veroorzaakt die inktsporen snel uitroeit. In principe zou je deze turbulentie kunnen wegnemen door een heel klein pennetje te gebruiken, omdat kleinere bewegende voorwerpen minder wervelingen veroorzaken, maar zelfs een klein pennetje zou een aanzienlijk inktreservoir nodig hebben, waardoor elk formaatvoordeel teniet wordt gedaan. Het lijkt erop dat waterschrijven gedoemd is te mislukken.

Of is het? Onderzoekers onder leiding van Thomas Palberg van Duitsland Johannes Universiteit Mainz (JGU) hebben nu een geheel nieuwe waterschrijftechniek ontwikkeld waarbij de “inkt” rechtstreeks in het water wordt geplaatst en een kraal met een diameter van 20-50 micron als “pen” wordt gebruikt. Deze kraal is te klein om wervels te veroorzaken, legt Palberg uit, en is gemaakt van een ionenwisselaarhars die de lokale pH-waarde van het water verandert, waardoor gesedimenteerde colloïdale deeltjes – de inkt – naar zijn sporen worden getrokken. De nieuwe techniek zou kunnen worden gebruikt voor het tekenen en modelleren van vloeistoffen tot op microschaal.

Geen wervelingen

In hun aanpak, die gedetailleerd wordt beschreven in Kleinerolden de onderzoekers de kraal over de bodem van een waterbad. Terwijl de kraal beweegt, ruilt hij de resterende kationen in het water in voor protonen, en traceert zo een onzichtbaar spoor van een lagere pH in de vloeistof. Dit spoor trekt de (fijn verspreide) inktdeeltjes aan dankzij een fenomeen dat bekend staat als diffusie-osmotische stroming of forese. De deeltjes hopen zich aldus op in het door de kraal gemarkeerde pad. Het resultaat: een fijne lijn van slechts enkele tientallen microns breed die het gebied met de laagste pH-waarde markeert.

Hoewel de aldus geproduceerde lijnen niet permanent zijn, zegt Palberg dat ze duurzaam zijn. “Omdat er geen wervelingen ontstaan, is de verspreiding van inktdeeltjes puur diffuus en dus erg langzaam”, legt hij uit.

Om ruimtes tussen lijnen te creëren, schakelde het team eenvoudigweg het ionenuitwisselingsproces aan en uit met behulp van laserlicht. Het maken van gebogen vormen zoals letters is wat lastiger, omdat het waterbad gekanteld moet worden om de kraal onder invloed van de zwaartekracht te laten bewegen. “Tijdens onze eerste pogingen hebben we het waterbad met de hand verplaatst, maar sindsdien hebben we hiervoor een programmeerbaar podium gebouwd”, zegt Palberg.

“Er bestaat geen andere techniek om vrijhangende en herconfigureerbare lijnen te produceren”, voegt hij eraan toe. “Alle bekende methoden zijn tegenwoordig afhankelijk van vaste substraten om de inkt die uit een reservoir wordt afgezet, te fixeren.”

Volgens de wiskundige simulaties van de onderzoekers is de aanpak generiek en kan deze dus in verschillende vormen worden toegepast. “Naast kralen gemaakt van ionenwisselaarharsen zouden ook ‘pennen’ kunnen worden gebruikt die bestaan ​​uit deeltjes die kunnen worden verwarmd door lasers, of zelfs individueel bestuurbare microzwemmers”, zegt teamlid Benno Liebchen, een natuurkundige op het gebied van de zachte materie TU Darmstadt, Duitsland. “Dit zou zelfs uitgebreid parallel schrijven van structuren in water mogelijk kunnen maken. Daarom zou het mechanisme ook kunnen worden gebruikt om zeer complexe dichtheidspatronen in vloeistoffen te genereren.”

Het team zegt dat het nu bezig is met het verfijnen van de techniek en het onderzoeken van manieren om patronen te creëren over grotere oppervlakken van centimeters.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld