Как писать на воде?

Исследователи из Университета Майнца, Технического университета Дармштадта и Уханьского университета преодолевают фундаментальные препятствия при написании и рисовании линий, букв и сложных узоров в объеме жидкости.

Университет Иоганна Гутенберга в Майнце

изображение: подборка изображений, нарисованных водой (линейный масштаб: 250 мкм).посмотреть больше

Фото: ил./©: Томас Палберг, Бенно Либхен

Письмо – это древняя культурная техника. Тысячи лет назад люди уже вырезали знаки и символы на каменных плитах. С тех пор письменность стала гораздо более сложной, но один аспект остался прежним: независимо от того, использует ли писатель клинопись или современный алфавит, для фиксации письменных структур на месте требуется твердая подложка, например глина или бумага. Однако исследователи из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU), Технического университета Дармштадта и Уханьского университета задались вопросом, как писать в объемной жидкости, такой как вода, без фиксации подложек. Эта концепция мало чем отличается от того, как самолеты оставляют за собой трехмерные следы пара, когда пересекают небо, – по сравнению с двухмерным письмом ручкой на сухой бумаге. Когда вы окунаете перо авторучки в воду и пытаетесь им что-то написать в воде, успех у вас, конечно, невелик. Движение относительно большого пера в воде создает турбулентность, которая в конечном итоге уничтожает все оставшиеся чернильные следы. Но, как показывает число Рейнольдса, то есть коэффициент, используемый для расчета потока жидкости: чем меньше движущийся объект, тем меньшее количество вихрей он создаст. Однако, чтобы воспользоваться этим преимуществом, потребуется по-настоящему крошечная ручка, а для этого потребуется огромный резервуар с чернилами, который нейтрализует эффект крошечной ручки.

Ионообменная бусина, служащая ручкой.

Команда исследователей решила принять совершенно новую стратегию для решения этой неотъемлемой проблемы: «Мы поместили чернила непосредственно в воду и используем микрошарики из ионообменного материала диаметром от 20 до 50 микрон в качестве пишущего инструмента». «Пояснил профессор Томас Палберг из JGU. Эта бусинка настолько мала, что вообще не создает вихрей. Хитрость заключается в том, что шарик обменивает остаточные катионы в воде на протоны, тем самым изменяя локальное значение pH воды. Если шарик прокатать по дну водяной бани, он проследит невидимый след более низкого pH в жидкости. Это притягивает частицы чернил, и они накапливаются на пути, отмеченном шариковым наконечником. В результате получается тонкая линия шириной всего в несколько сотых микрон, отмечающая область самого низкого значения pH.

Чтобы действительно написать букву в воде, вам просто нужно наклонить водяную баню таким образом, чтобы бусинка двигалась, чтобы очертить необходимый символ. «Во время наших первых попыток мы перемещали водяную баню вручную, но с тех пор мы сконструировали программируемый балансир», — продолжил Палберг. «В водяной бане размером не больше монеты в один евро мы смогли создать простой узор в виде домика размером с букву «I» шрифтом размером 18 пунктов, а затем рассмотрели его под микроскопом. Но мы пока находимся только на предварительной стадии». Как показали другие модели, любой вид письменной формы, который можно создать с помощью непрерывных линий, можно легко воспроизвести. Кроме того, можно было добиться и прерываний, например пауз между отдельными буквами, поскольку, например, процесс ионного обмена можно было включать и выключать по желанию с помощью методов светового воздействия. Возможно даже стирание и исправление написанного.

Неспецифический эффект, который можно использовать по-разному.

Профессор Бенно Либхен и Лукас Хехт из Дармштадтского технического университета разработали теоретическую модель, объясняющую механизм, который делает письмо на воде жизнеспособным. По словам Либхена, руководителя группы теории мягкой материи в Институте физики конденсированного состояния, соответствующее моделирование продемонстрировало, что этот механизм является общим, неспецифическим эффектом и, следовательно, может использоваться в самых разных формах. ИПКМ) в ТУ Дармштадта. «В дополнение к шарикам из ионообменных смол можно использовать «ручки», состоящие из частиц, которые можно нагревать лазером, или даже индивидуально управляемые микропловцы», - отметил он. «Это может даже позволить параллельно писать структуры в воде. Следовательно, этот механизм также можно использовать для создания очень сложных моделей плотности в жидкостях».