Hạt trao đổi ion viết dưới nước – Vật Lý Thế Giới

Hạt trao đổi ion viết dưới nước – Vật Lý Thế Giới

Dấu thời gian: 9 tháng 2023 năm 9 00:XNUMX sáng

Tuyển tập các hình ảnh được vẽ bằng nước, bao gồm các hình dạng và chữ cái
Chữ viết trên nước: Khi hạt di chuyển, nó trao đổi các cation còn sót lại trong nước để lấy proton, và do đó tạo ra dấu vết vô hình về độ pH thấp hơn trong chất lỏng. Thang đo tuyến tính: 250 µm. (Lịch sự: ill./©: Thomas Palberg, Benno Liebchen)

Viết đòi hỏi một chất nền, như đất sét hoặc giấy, để cố định các dòng và chữ viết vào đúng vị trí. Không thể làm điều tương tự trong chất lỏng như nước vì chuyển động của bút tạo ra sự chuyển động hỗn loạn nhanh chóng xóa đi các vệt mực. Về nguyên tắc, bạn có thể loại bỏ sự nhiễu loạn này bằng cách sử dụng một chiếc bút rất nhỏ, vì các vật chuyển động nhỏ hơn sẽ tạo ra ít xoáy hơn, nhưng ngay cả một chiếc bút nhỏ cũng sẽ cần một lượng mực lớn, làm mất đi mọi lợi thế về kích thước. Có vẻ như việc viết bằng nước sẽ thất bại.

Hoặc là nó? Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Thomas Palberg của Đức Đại học Johannes Mainz (JGU) hiện đã phát triển một kỹ thuật viết bằng nước hoàn toàn mới, bao gồm việc đặt “mực” trực tiếp vào nước và sử dụng một hạt có đường kính 20-50 micron làm “bút”. Hạt này quá nhỏ để tạo ra bất kỳ dòng xoáy nào, Palberg giải thích, và nó được làm bằng nhựa trao đổi ion làm thay đổi giá trị pH cục bộ của nước, từ đó thu hút các hạt keo lắng đọng – mực – vào đường đi của nó. Kỹ thuật mới có thể được sử dụng để vẽ và tạo hình các chất lỏng ở cấp độ vi mô.

Không có vòng xoáy

Trong cách tiếp cận của họ, được trình bày chi tiết trong Nhỏ, các nhà nghiên cứu đã lăn hạt trên đáy bồn nước. Khi hạt di chuyển, nó trao đổi các cation còn sót lại trong nước để lấy proton, và do đó vạch ra dấu vết vô hình của độ pH thấp hơn trong chất lỏng. Đường này thu hút các hạt mực (phân tán mịn) nhờ một hiện tượng được gọi là dòng thẩm thấu khuếch tán hay còn gọi là phoresis. Do đó, các hạt tích tụ theo đường đi được đánh dấu bởi hạt. Kết quả: một đường mảnh chỉ rộng vài chục micron đánh dấu vùng có giá trị pH thấp nhất.

Mặc dù các dây chuyền được tạo ra không tồn tại lâu dài nhưng Palberg cho biết chúng rất bền. Ông giải thích: “Vì không tạo ra xoáy nên sự phân tán hạt mực hoàn toàn là khuếch tán và do đó rất chậm”.

Để tạo khoảng trống giữa các dòng, nhóm nghiên cứu chỉ cần bật và tắt quá trình trao đổi ion bằng ánh sáng laser. Việc tạo các hình dạng cong như chữ cái có phần phức tạp hơn vì bồn nước phải nghiêng để hạt chuyển động dưới tác dụng của trọng lực. Palberg cho biết: “Trong những lần thử đầu tiên, chúng tôi đã di chuyển bồn nước bằng tay, nhưng từ đó chúng tôi đã xây dựng một giai đoạn có thể lập trình để thực hiện việc này”.

Ông cho biết thêm: “Không có kỹ thuật nào khác để tạo ra các dây treo tự do và có thể cấu hình lại được”. “Tất cả các phương pháp được biết đến ngày nay đều dựa vào chất nền rắn để cố định mực đọng lại từ bình chứa.”

Theo mô phỏng toán học của các nhà nghiên cứu, cách tiếp cận này mang tính tổng quát và do đó có thể được sử dụng dưới nhiều hình thức khác nhau. Thành viên nhóm cho biết: “Ngoài các hạt làm bằng nhựa trao đổi ion, 'bút' bao gồm các hạt có thể được làm nóng bằng tia laser có thể được sử dụng hoặc thậm chí là các thiết bị bơi vi mô có thể điều khiển riêng lẻ”. Benno Liebchen, một nhà vật lý vật chất mềm tại TU Darmstadt, Đức. “Điều này thậm chí có thể cho phép viết song song rộng rãi các cấu trúc trong nước. Do đó, cơ chế này cũng có thể được sử dụng để tạo ra các mẫu có mật độ rất phức tạp trong chất lỏng.”

Nhóm nghiên cứu cho biết họ hiện đang bận rộn cải tiến kỹ thuật của mình và khám phá các cách để tạo ra các mẫu trên các khu vực có quy mô lớn hơn, kích thước centimet.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý