水に文字を書くにはどうすればいいですか？

マインツ大学、ダルムシュタット工科大学、武漢大学の研究者らは、大量の液体内で線、文字、複雑なパターンを書いたり描いたりする際の基本的な障害を克服した

ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ

画像: 水に描かれた画像の選択 (線形スケール: 250 μm)もっと見る

クレジット: ill./©: Thomas Palberg、Benno Liebchen

書くことは古くからの文化的テクニックです。 数千年前、人類はすでに記号やシンボルを石板に彫り込んでいました。 それ以来、文字ははるかに洗練されましたが、ある側面は変わっていません。それは、作家が楔形文字を使用しているか現代のアルファベットを使用しているかにかかわらず、書かれた構造を所定の位置に固定するには粘土や紙などの固体の基材が必要であるということです。 しかし、マインツ・ヨハネス・グーテンベルク大学（JGU）、ダルムシュタット工科大学、武漢大学の研究者らは、基材を固定せずに水のようなバルク流体に文字を書く方法を自問した。 このコンセプトは、乾いた紙にペンで二次元の文字を書くのと比較して、航空機が空を横切るときに三次元の蒸気の跡を残すのと似ています。 万年筆のペ​​ン先を水に浸し、その中で何かを書こうとしても、当然ながらほとんどうまくいきません。 比較的大きなペン先が水中で動くと乱流が生じ、最終的に残ったインクの跡が消えてしまいます。 しかし、レイノルズ数、つまり流体の流れの計算に使用される係数が示すように、移動する物体が小さいほど、生成される渦の数は少​​なくなります。 ただし、これを利用するには、本当に微細なペンが必要であり、そのためには、小さなペンの効果を打ち消す大量のインクのリザーバーが必要になります。

ペンの役割を果たすイオン交換ビーズ

研究チームは、この固有の問題を克服するためにまったく新しい戦略を採用することを決定しました。「インクを直接水に入れ、直径20〜50ミクロンのイオン交換材料で作られたマイクロビーズを筆記具として使用しました。 」とJGUのトーマス・パルバーグ教授は説明した。 このビーズは非常に小さいため、渦はまったく生成されません。 賢い点は、ビーズが水中の残留陽イオンをプロトンに交換し、それによって水の局所的な pH 値を変化させることです。 ビーズを水浴の底面で転がすと、液体中のより低い pH の目に見えない痕跡が追跡されます。 これによりインク粒子が引き寄せられ、ボールペンでマークされた経路にインク粒子が蓄積されます。 その結果、幅がわずか数百分の 1 ミクロンの細い線が表示され、pH 値が最も低い領域がマークされます。

実際に水の中で文字を書くには、必要な文字の輪郭を描くようにビーズが動くように水槽を傾けるだけです。 「最初の試みでは、水浴を手で動かしましたが、その後、プログラム可能なロッカーを構築しました」とパルバーグ氏は続けました。 「1 ユーロ硬貨ほどの大きさの水槽の中で、18 ポイントのフォントで「I」の文字のタイトルと同じサイズの単純な家のようなパターンを作成することができ、これを顕微鏡で観察しました。しかし、私たちはまだ準備段階にすぎません。」 他のシミュレーションで示されているように、連続線を使用して作成できるあらゆる種類の書面を容易に再現できます。 さらに、例えば、露光技術を使用してイオン交換プロセスを自由にオン/オフできるため、別々の文字間の中断などの中断も実現できます。 書いた内容の消去や修正も可能です。

さまざまな方法で使用できる非特定の効果

ダルムシュタット工科大学のベンノ・リープチェン教授とルーカス・ヘヒト教授は、水中での筆記が可能になるメカニズムを説明する理論モデルを開発した。 凝縮物性物理学研究所のソフトマター理論グループ長であるリープチェン氏によると、対応するシミュレーションは、このメカニズムが一般的で非特異的な効果であり、したがってさまざまな形で利用できることを実証した( IPKM) ダルムシュタット工科大学にて。 「イオン交換樹脂で作られたビーズに加えて、レーザーで加熱できる粒子で構成される『ペン』や、個別に操縦可能なマイクロスイマーも使用できる可能性がある」と同氏は指摘した。 「これにより、水中の構造を広範囲に並行して書き込むことも可能になる可能性があります。したがって、このメカニズムを使用して、流体中に非常に複雑な密度パターンを生成することもできます。」