Jonbytarpärla skriver under vatten – Physics World

Jonbytarpärla skriver under vatten – Physics World

Tidsstämpel: 9 oktober 2023 9:00

Ett urval av bilder ritade i vatten, inklusive former och bokstäver
Vattenskrift: När pärlan rör sig byter den ut kvarvarande katjoner i vattnet mot protoner och spårar därmed ut ett osynligt spår av lägre pH i vätskan. Linjära skalor: 250 µm. (Med tillstånd: ill./©: Thomas Palberg, Benno Liebchen)

Att skriva kräver ett underlag, som lera eller papper, för att fixera de skrivna linjerna och bokstäverna på plats. Att göra samma sak i en vätska som vatten är inte möjligt eftersom pennans rörelse skapar turbulens som snabbt utrotar bläckspår. I princip kan du ta bort denna turbulens genom att använda en mycket liten penna, eftersom mindre rörliga föremål skapar färre virvlar, men även en liten penna skulle kräva en betydande reservoar av bläck, vilket eliminerar alla storleksfördelar. Vattenskrivandet verkar vara dömt att misslyckas.

Eller är det? Forskare under ledning av Thomas Palberg av Tysklands Johannes University Mainz (JGU) har nu utvecklat en helt ny vattenskrivteknik som går ut på att placera "bläcket" direkt i vattnet och använda en pärla 20-50 mikron i diameter som "penna". Denna pärla är för liten för att generera några virvlar, förklarar Palberg, och den är gjord av ett jonbytarharts som ändrar vattnets lokala pH-värde och därigenom attraherar sedimenterade kolloidala partiklar – bläcket – till sina spår. Den nya tekniken skulle kunna användas för att rita och mönstra vätskor ända ner till mikroskalan.

Inga virvlar

I deras tillvägagångssätt, som beskrivs i detalj i Smårullade forskarna pärlan över basen av ett vattenbad. När pärlan rör sig byter den ut kvarvarande katjoner i vattnet mot protoner och spårar därmed ut ett osynligt spår av lägre pH i vätskan. Detta spår drar till sig de (fint spridda) bläckpartiklarna tack vare ett fenomen som kallas diffusionsosmotiskt flöde eller fores. Partiklarna byggs alltså upp i den väg som markeras av pärlan. Resultatet: en fin linje som bara mäter några tiotals mikron bred som markerar området med det lägsta pH-värdet.

Även om de sålunda tillverkade linjerna inte är permanenta, säger Palberg att de är hållbara. "Eftersom inga virvlar genereras är spridningen av bläckpartiklar rent diffusiv och därför mycket långsam", förklarar han.

För att skapa mellanrum mellan linjerna slog teamet helt enkelt på och av jonbytesprocessen med laserljus. Att skapa böjda former som bokstäver är något knepigare, eftersom vattenbadet måste lutas för att få pärlan att röra sig under inverkan av gravitationen. – Under våra första försök flyttade vi vattenbadet för hand, men vi har sedan dess konstruerat en programmerbar scen för att göra detta, säger Palberg.

"Det finns ingen annan sådan teknik för att producera fritt upphängda och omkonfigurerbara linjer," tillägger han. "Alla kända metoder idag förlitar sig på fasta substrat för att fixera bläcket som avsatts från en reservoar."

Enligt forskarnas matematiska simuleringar är tillvägagångssättet generiskt och skulle därför kunna användas i en mängd olika former. "Förutom pärlor gjorda av jonbytarhartser kan "pennor" som består av partiklar som kan värmas upp med laser användas, eller till och med individuellt styrbara mikrosimmare, säger teammedlemmen Benno Liebchen, en mjukämnesfysiker vid TU Darmstadt, Tyskland. "Detta kan till och med möjliggöra omfattande parallellskrivning av strukturer i vatten. Därför kan mekanismen också användas för att generera mycket komplexa densitetsmönster i vätskor."

Teamet säger att de nu är upptagna med att förfina sin teknik och utforska sätt att skapa mönster över större, centimeterstora områden.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden