เม็ดแลกเปลี่ยนไอออนเขียนใต้น้ำ – โลกฟิสิกส์

เม็ดแลกเปลี่ยนไอออนเขียนใต้น้ำ – โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 9 ตุลาคม 2023 9:00 น.

ภาพที่คัดสรรในน้ำ รวมถึงรูปทรงและตัวอักษร
การเขียนด้วยน้ำ: ในขณะที่เม็ดบีดเคลื่อนที่ มันจะแลกเปลี่ยนแคตไอออนที่ตกค้างในน้ำกับโปรตอน และติดตามค่า pH ที่ต่ำกว่าในของเหลวที่มองไม่เห็น สเกลเชิงเส้น: 250 µm (เอื้อเฟื้อโดย: ill./©: โธมัส พัลเบิร์ก, เบนโน ลีบเชน)

การเขียนต้องใช้วัสดุพิมพ์ เช่น ดินเหนียวหรือกระดาษ เพื่อยึดเส้นและตัวอักษรที่เขียนให้เข้าที่ การทำสิ่งเดียวกันในของเหลว เช่น น้ำ นั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากการเคลื่อนไหวของปากกาจะทำให้เกิดความปั่นป่วนซึ่งจะกำจัดรอยหมึกได้อย่างรวดเร็ว โดยหลักการแล้ว คุณสามารถขจัดความปั่นป่วนนี้ได้โดยใช้ปากกาขนาดเล็กมาก เนื่องจากวัตถุที่เคลื่อนที่ขนาดเล็กจะสร้างกระแสน้ำวนน้อยลง แต่แม้แต่ปากกาขนาดเล็กก็ยังต้องใช้หมึกจำนวนมาก ซึ่งทำให้ข้อได้เปรียบขนาดใดๆ หมดไป ดูเหมือนว่าการเขียนแบบน้ำจะถึงวาระที่จะล้มเหลว

หรือว่าใช่? นักวิจัยนำโดย โธมัส พัลเบิร์ก ของเยอรมนี มหาวิทยาลัยโยฮันเนส ไมนซ์ (JGU) ปัจจุบันได้พัฒนาเทคนิคการเขียนน้ำแบบใหม่โดยการวาง “หมึก” ลงในน้ำโดยตรง และใช้เม็ดบีดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20-50 ไมครอนเป็น “ปากกา” ลูกปัดนี้มีขนาดเล็กเกินไปที่จะสร้างกระแสน้ำวน Palberg อธิบาย และมันทำจากเรซินแลกเปลี่ยนไอออนที่จะเปลี่ยนแปลงค่า pH ของน้ำในท้องถิ่น ดังนั้นจึงดึงดูดอนุภาคคอลลอยด์ที่เป็นตะกอนหรือหมึกให้เข้ามาที่รางของมัน เทคนิคใหม่นี้สามารถนำไปใช้ในการวาดและสร้างรูปแบบของของเหลวได้จนถึงระดับไมโคร

ไม่มีการหมุนวน

ในแนวทางของพวกเขาซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน เล็กนักวิจัยได้กลิ้งลูกปัดไปบนฐานของอ่างน้ำ ขณะที่บีดเคลื่อนที่ มันจะแลกเปลี่ยนแคตไอออนที่ตกค้างในน้ำกับโปรตอน และติดตามค่า pH ที่ต่ำกว่าในของเหลวที่มองไม่เห็น แทร็กนี้จะดึงดูดอนุภาคหมึก (ที่กระจายอย่างประณีต) ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการไหลแบบออสโมติกแบบแพร่หรือโฟเรซิส อนุภาคจึงก่อตัวขึ้นในเส้นทางที่ลูกปัดระบุไว้ ผลลัพธ์: เส้นละเอียดที่วัดได้กว้างเพียงไม่กี่สิบไมครอน แสดงถึงพื้นที่ที่มีค่า pH ต่ำที่สุด

แม้ว่าเส้นที่ผลิตขึ้นจะไม่ถาวร แต่ Palberg กล่าวว่าเส้นเหล่านี้มีความทนทาน “เนื่องจากไม่มีการหมุนวน การกระจายตัวของอนุภาคหมึกจึงแพร่กระจายได้อย่างแท้จริงและจึงช้ามาก” เขาอธิบาย

ในการสร้างช่องว่างระหว่างเส้น ทีมงานเพียงแค่เปิดและปิดกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนโดยใช้แสงเลเซอร์ การสร้างรูปทรงโค้งมน เช่น ตัวอักษร ค่อนข้างยากกว่า เนื่องจากต้องเอียงอ่างน้ำเพื่อให้ลูกปัดเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง “ในระหว่างความพยายามครั้งแรก เราได้เคลื่อนย้ายอ่างน้ำด้วยมือ แต่ตั้งแต่นั้นมา เราก็ได้สร้างขั้นตอนที่ตั้งโปรแกรมได้ขึ้นมาเพื่อทำสิ่งนี้” Palberg กล่าว

“ไม่มีเทคนิคอื่นใดในการสร้างสายการผลิตที่แขวนลอยได้อย่างอิสระและกำหนดค่าใหม่ได้” เขากล่าวเสริม “วิธีการทั้งหมดที่ทราบในปัจจุบันอาศัยวัสดุพิมพ์ที่เป็นของแข็งเพื่อแก้ไขหมึกที่สะสมมาจากอ่างเก็บน้ำ”

ตามการจำลองทางคณิตศาสตร์ของนักวิจัย วิธีการนี้เป็นแนวทางทั่วไปและสามารถนำไปใช้ได้หลากหลายรูปแบบ "นอกเหนือจากเม็ดบีดที่ทำจากเรซินแลกเปลี่ยนไอออนแล้ว สามารถใช้ 'ปากกา' ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่สามารถให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ได้ หรือแม้แต่นักว่ายน้ำขนาดเล็กที่บังคับทิศทางได้ทีละราย" สมาชิกในทีมกล่าว เบนโน ลีบเชน, นักฟิสิกส์สสารอ่อนที่ TU ดาร์มสตัดท์ ประเทศเยอรมนี. “สิ่งนี้อาจทำให้สามารถเขียนโครงสร้างในน้ำขนานกันอย่างกว้างขวางได้ ดังนั้นกลไกนี้จึงสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างรูปแบบความหนาแน่นที่ซับซ้อนสูงในของเหลวได้”

ทีมงานกล่าวว่าขณะนี้กำลังยุ่งอยู่กับการปรับปรุงเทคนิคและสำรวจวิธีสร้างลวดลายบนพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้นหรือเป็นเซนติเมตร

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์