Usando una perla a scambio ionico come penna. Il concetto non è diverso dal modo in cui gli aerei lasciano scie di vapore tridimensionali dietro di loro quando attraversano il cielo, rispetto alla scrittura bidimensionale con una penna su carta asciutta.
La scrittura è una tecnica culturale secolare. Migliaia di anni fa, gli esseri umani stavano già scolpendo segni e simboli in lastre di pietra.
Le scritture sono diventate molto più sofisticate da allora, ma un aspetto rimane lo stesso: sia che lo scrittore stia usando il cuneiforme o un alfabeto moderno, è necessario un substrato solido, come argilla o carta, per fissare lo scritto.
I ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), TU Darmstadt e Wuhan University si sono chiesti come scrivere in un fluido come l’acqua.
Il concetto non è diverso dal modo in cui gli aerei lasciano scie di vapore tridimensionali dietro di loro quando attraversano il cielo, rispetto alla scrittura bidimensionale con una penna su carta asciutta.
Quando si immerge il pennino di una penna stilografica nell’acqua e si prova a scrivere qualcosa si avrà, ovviamente, poco successo.
Il movimento del pennino relativamente grande attraverso l’acqua crea turbolenze che alla fine sradicheranno qualsiasi traccia di inchiostro lasciata.
Ma come indica il numero di Reynolds, cioè il fattore utilizzato per calcolare il flusso del fluido:, più piccolo è l’oggetto in movimento, minore è il numero di vortici che creerà.
Tuttavia, per trarne vantaggio, sarebbe necessaria una penna veramente minuta e ciò richiederebbe un enorme serbatoio di inchiostro che annullerebbe l’effetto della minuscola penna.
Il team di ricercatori ha deciso di adottare una strategia completamente nuova per superare questo problema intrinseco: “Abbiamo messo l’inchiostro direttamente nell’acqua e utilizzato una microsfera fatta di materiale a scambio ionico con un diametro da 20 a 50 micron come strumento di scrittura”, ha spiegato il professor Thomas Palberg della JGU.
Questa perla è così piccola che non genera alcun vortice. La parte intelligente è che essa scambia cationi residui nell’acqua per protoni, alterando così il valore del pH locale dell’acqua.
La segna una traccia invisibile di pH più basso nel liquido.
Questo attrae le particelle di inchiostro che si accumulano nel percorso segnato dalla punta della sfera. Il risultato è una linea sottile di pochi centesimi di micron di larghezza, che delimita l’area con il valore di pH più basso.
Per scrivere effettivamente una lettera in acqua, bisogna solo inclinare bacino d’acqua in modo tale che la perlina si muova per delineare il carattere richiesto.
“Durante i nostri primi tentativi, abbiamo spostato il contenitore d’acqua a mano, ma da allora abbiamo costruito un bilanciere programmabile”, ha continuato Palberg.
“In un bagno d’acqua non più grande di una moneta da un euro, siamo stati in grado di produrre un semplice motivo simile a una casa delle dimensioni del titolo di un carattere ‘I’ in un carattere a 18 punti, e poi lo abbiamo visto al microscopio. Ma siamo ancora solo nella fase preliminare”.
Qualsiasi tipo di forma scritta che può essere prodotta utilizzando linee continue può essere facilmente riprodotta, come hanno dimostrato altre simulazioni.
Inoltre, si possono ottenere interruzioni tra lettere separate, anche perché, ad esempio, il processo di scambio ionico potrebbe essere attivato e disattivato a piacimento utilizzando tecniche di esposizione alla luce. Anche la cancellazione e la correzione di ciò che è stato scritto è possibile.
Il professor Benno Liebchen e Lukas Hecht della TU Darmstadt hanno sviluppato un modello teorico che spiega il meccanismo che rende praticabile la scrittura in acqua.
Le simulazioni corrispondenti hanno dimostrato che questo meccanismo è un effetto generico e non specifico e potrebbe quindi essere impiegato in un’ampia varietà di forme, secondo Liebchen, che è a capo del gruppo di teoria della materia soffice presso l’Istituto per la fisica della materia condensata (IPKM) presso la TU Darmstadt.
“Oltre alle perle fatte di resine a scambio ionico, potrebbero essere impiegate ‘penne’ costituite da particelle che possono essere riscaldate da laser o persino micronuotatori orientabili individualmente”, ha osservato.
“Questo potrebbe anche consentire un’ampia scrittura parallela in acqua. Quindi, il meccanismo potrebbe anche essere utilizzato per generare modelli di densità altamente complessi nei fluidi”.
Un’importante implicazione delle simulazioni teoriche è che questa nuova forma di scrittura non è vincolata dalla necessità di una base per il contenitore del fluido perché l’effetto non è specifico su dove si verifica nel liquido.
Sarebbe sufficiente che l’inchiostro fosse rapidamente trasportato verso i contorni “scritti” e questi scomparissero solo per mezzo della diffusione per assicurarsi che le linee rimangano chiaramente visibili per una decina di minuti.
Utilizzando inchiostri “adesivi” sensibili ai raggi UV, potrebbe persino rivelarsi possibile fissare linee e scritte in posizione più a lungo.
Ci sono molte potenziali variazioni che potrebbero essere realizzate utilizzando diversi componenti nella forma dello strumento di scrittura, del tipo di traccia disegnata, dell’inchiostro o della forma impiegata.
Un’opzione potrebbe essere quella di utilizzare inchiostro fluorescente e diverse perline di scrittura molto leggere che potrebbero essere spostate attraverso il fluido in tre dimensioni con l’aiuto di pinzette ottiche.
Ciò si tradurrebbe non solo in forme luminescenti, ma potrebbe anche essere utilizzato per la strutturazione 3D dei fluidi.
“Il nostro nuovo approccio è molto robusto e ha il potenziale per un’estrema modularità”, ha sottolineato Palberg. “E può essere sviluppato in una gamma eccezionalmente ampia di modi diversi”.
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