Escribir en agua usando un ion

30 de agosto de 2023

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por la Universidad de Maguncia

La escritura es una técnica cultural milenaria. Hace miles de años, los humanos ya grababan signos y símbolos en losas de piedra. Las escrituras se han vuelto mucho más sofisticadas desde entonces, pero un aspecto sigue siendo el mismo: ya sea que el escritor use un alfabeto cuneiforme o moderno, se requiere un sustrato sólido, como arcilla o papel, para fijar las estructuras escritas en su lugar.

Sin embargo, investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), TU Darmstadt y la Universidad de Wuhan se preguntaron cómo escribir en un fluido a granel como el agua sin fijar sustratos. El concepto no sería diferente a la forma en que los aviones dejan estelas de vapor tridimensionales cuando cruzan el cielo, en comparación con la escritura bidimensional con un bolígrafo sobre papel seco.

Cuando sumerges la punta de una pluma estilográfica en agua e intentas escribir algo con ella en el agua, por supuesto, tendrás poco éxito. El movimiento de la punta relativamente grande a través del agua crea turbulencias que eventualmente erradicarán cualquier rastro de tinta que quede. Pero como indica el número de Reynolds, es decir, el factor utilizado para calcular el flujo de fluido: cuanto más pequeño sea el objeto en movimiento, menor será el número de vórtices que creará.

Sin embargo, para aprovechar esto, se necesitaría un bolígrafo verdaderamente diminuto y esto requeriría una enorme reserva de tinta que anularía el efecto del bolígrafo diminuto.

El equipo de investigadores decidió adoptar una estrategia completamente nueva para superar este problema inherente: "Hemos puesto la tinta directamente en el agua y utilizamos una microperla hecha de material de intercambio iónico con un diámetro de 20 a 50 micrones como instrumento de escritura. " explicó el profesor Thomas Palberg de la JGU. Esta perla es tan pequeña que no genera ningún vórtice. Lo inteligente es que la perla intercambia cationes residuales en el agua por protones, alterando así el valor del pH local del agua.

Si la perla se hace rodar por la base de un baño de agua, traza una pista invisible de pH más bajo en el líquido. Esto atrae las partículas de tinta y se acumulan en el camino marcado por la punta de la bola. El resultado es una fina línea de unas pocas centésimas de micra de ancho que marca la zona del valor de pH más bajo.

Para escribir una letra en agua, basta con inclinar el baño de agua de tal manera que la cuenta se mueva para delinear el carácter deseado. "En los primeros intentos movimos el baño de agua a mano, pero desde entonces hemos construido un balancín programable", continúa Palberg. "En un baño de agua no mayor que una moneda de un euro, pudimos producir un patrón simple parecido a una casa del tamaño del título de un carácter 'I' en una fuente de 18 puntos, y luego lo observamos bajo el microscopio. Pero todavía estamos sólo en la fase preliminar".

Cualquier tipo de forma escrita que pueda producirse utilizando líneas continuas puede reproducirse fácilmente, como han demostrado otras simulaciones. Además, también se podrían conseguir interrupciones, como por ejemplo entre letras separadas, porque, por ejemplo, el proceso de intercambio iónico podría activarse y desactivarse a voluntad mediante técnicas de exposición a la luz. Incluso es posible borrar y corregir lo escrito.

El profesor Benno Liebchen y Lukas Hecht de TU Darmstadt han desarrollado un modelo teórico que explica el mecanismo que hace viable la escritura en agua. Las simulaciones correspondientes han demostrado que este mecanismo es un efecto genérico, no específico y, por lo tanto, podría utilizarse en una amplia variedad de formas, según Liebchen, jefe del grupo de Teoría de la Materia Blanda en el Instituto de Física de la Materia Condensada ( IPKM) en la Universidad Técnica de Darmstadt.

"Además de las perlas de resinas de intercambio iónico, también se podrían utilizar 'bolígrafos' formados por partículas calentables mediante láser o incluso micronadadores orientables individualmente", señaló. "Esto podría incluso permitir una escritura paralela extensa de estructuras en el agua. Por lo tanto, el mecanismo también podría usarse para generar patrones de densidad altamente complejos en fluidos".

Una implicación importante de las simulaciones teóricas es que esta nueva forma de escritura no está limitada por la necesidad de una base para el contenedor de fluido porque el efecto no es específico en cuanto a dónde ocurre en el líquido. Sería suficiente con que la tinta fuera transportada rápidamente hasta los contornos "escritos" y éstos desaparecieran únicamente mediante difusión para que las líneas permanecieran claramente visibles durante unos diez minutos. Utilizando tintas "adhesivas" sensibles a los rayos UV, podría incluso resultar posible fijar líneas y letras durante más tiempo.

Hay muchas variaciones potenciales que podrían realizarse mediante el uso de diferentes componentes en la forma del instrumento de escritura, el tipo de trazo dibujado, la tinta o la forma de dirección empleada. Una opción sería utilizar tinta fluorescente y varias cuentas de escritura muy ligeras que podrían moverse a través del fluido en tres dimensiones con la ayuda de pinzas ópticas. Esto no sólo daría como resultado formas luminiscentes, sino que también podría usarse para la estructuración 3D de fluidos.

"Nuestro nuevo enfoque es muy robusto y tiene potencial para una modularidad extrema", destacó Palberg. "Y se puede desarrollar de una manera excepcionalmente amplia y diferente".

El artículo se publica en la revista Small.

Más información: Nadir Möller et al, Escribiendo en agua, pequeño (2023). DOI: 10.1002/smll.202303741

Información de la revista:Pequeño

Proporcionado por la Universidad de Maguncia