„Písmo je prastará komunikační technika stará nejméně 30 000 let“, připomíná v úvodu svého článku zveřejněném v odborném časopisu Small (zde) pětice fyziků z Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči a Technické univerzity v Darmstadtu. Ve své studii popisují způsob, jak psát nebo kreslit jednoduché vzory do tekutého média, jakým je i voda.
Aniž bychom to zkoušeli, tušíme, že hrotem plnícího pera do vody nic nenapíšeme, protože jeho tvar a velikost při pohybu vytváří turbulence, jež inkoust v mžiku rozptýlí do skvrny, a ta zakrátko zmizí. Proto je nutné použít nepoměrně menší kreslící nástroj, který bude co nejméně vířit své okolí. Tedy ani pevné držadlo, jimž by se dal ručně ovládat, není přípustným řešením. Tím však může být miniaturní kulička s průměrem mezi 20 až 50 mikrometrů (setin milimetru) pohybující se jen vlivem gravitace, tedy náklonů nádobky s tekutým médiem. Jenže tak titěrnou sféru není možné naplnit inkoustem.
Vědci tedy "barvivo" s označením Si832 z mikročásteček oxidu křemičitého rozptýlili přímo do vody, čimž vznikla velmi řídká suspenze. Psací kuličku vytvořili z ionexu – vysokomolekulární pryskyřice s vysokou pórovitostí a s povrchovým nábojem, jež v kapalném médiu vychytává zbytkové kationy solí a zaměňuje je za protony (jádra lehkého vodíku – více zde).
Tím kulička ve svém bezprostředním okolí snižuje pH vody, čili zvyšuje její kyselost. Kolem ní tak vzniká gradient pH, který přitahuje mikročástečky Si832 a soustřeďuje je do míst s nejnižší hodnotou. Tato koncentrace inkoustu zviditelňuje trajektorii kutálejícího se mikropera v podobě jemné 3D čáry o průměru několik setin milimetru.
K napsaní písmene nebo nakreslení požadovaného vzoru pak stačí nádobku s řídkým koloidním roztokem barviva vhodně naklánět, což samozřejmě není jednoduché. Aby fyzikové předešli složitějšímu a nepřesnému ručnímu ovládání, vyvinuli programovatelnou kolébku pro jemnou manipulaci s nádobkou. Díky tomu se jim například podařilo v nádržce se dnem o velikosti pětikoruny nakreslit jednoduchý tvar domečku o výšce asi 4 mm.
Horní obrázek: zorného pole mikroskopu s kuličkou kutálející se po nakloněném dně skleněné nádobky s koloidním roztokem speciálního inkoustu, jenž se koncentruje v její stopě. Měřítko: 200 µm. Dolní obrázek: model gradientu pH u dna nádobky, po němž se „iontoměnící“ kulička pohybuje. Tím, že snižuje ve svém okolí pH, přitahuje k sobě částečky inkoustu, jež pak zviditelňuje její dráhu. Kredit: N. Möller et al., Writing in Water, Small, 21. August 2023, DOI - upraveno
|
Schéma principu psaní ve vodě: kulička mění pH ve svém okolí, to přitahuje částice inkoustu, který zvýšenou koncentrací zabarví stopu pohybu podvodního pera Kredit: Thomas Palberg, Johannes Gutenberg Universität
|
Zmíněnou metodou však lze do vody reprodukovat písmo nebo tvar tvořený souvislou čarou. Kdyby se ale pro kuličku použil iontoměnící materiál, který lze zapínat a vypínat světlem, bylo by možné psát a kreslit také přerušovanými „tahy“. Což by umožnilo vymazávat a opravovat.
Jistě si mnozí kladete fyzikálně logickou otázku: A co nevyhnutný rozptyl čar v důsledku chaotického tepelného pohybu molekul vody? Máte pravdu, v závislosti od teploty se písmo i v klidném tekutém médiu v průběhu několika minut rozplyne. Existují ale "lepkavé“ inkousty citlivé na UV záření, které by umožnily čitelnost napsaného uchovat i po dobu delší deseti minut.
Jde zatím o pionýrský průzkum možnosti psaní do kapaliny. Již nyní však vědci uvažují o dalších variantách experimentů, při nichž by testovali jiné psací nástroje, způsoby jejich ovládání i různé druhy inkoustu. Kupříkladu jednu z možnosti nabízejí fluorescenční barvy, nebo použití několika miniaturních kreslících kuliček natolik lehoučkých, že by je bylo možné navzájem nezávisle ovládat optickými pinzetami, každou ve všech třech směrech. Výsledkem by byly komplikovanější 3D tvary nebo písmena zářící v kapalině. Zajímavé, i když žel pomíjivé. A když už jsme u té nevyhnutelné prchavosti, vraťme se v závěru opět k úvodu a úžasným Veršům psaným na vodu:
„Kdybych tak mohl – až přijde stáří –
zavřít své dveře, zavolat:
Hola!
Pán se vám pěkně poroučet dává,
že není doma!“
Zdroje:
Johannes Gutenberg-Universität Mainz Aktuelles,
Nano.Micro Small (volně přístupný článek)
V jeho závěru, mezi doplňkovými soubory je 9 krátkých videí ke stažení.
Ultrazvukové hologramy umožňují rychlý a bezkontaktní 3D tisk
Autor: Stanislav Mihulka (16.02.2023)
Ať voní jako stolistá růže
Autor: Dagmar Gregorová (09.05.2023)
Podhoubí – materiál budoucnosti?
Autor: Dagmar Gregorová (31.07.2023)
Diskuze:
Voda nebo koloid?
Martin Drašner,2023-09-01 11:31:49
Takže na vodu (v kapalném stavu) zatím stále psát nejde. S těmi koloidy (a třeba i hustšími) to neodpovídá zadání.
Re: Voda nebo koloid?
Josef Pazdera,2023-09-01 15:36:54
Nemyslím, že to je podstatné, ale pokud se nemýlím, tak papírem jsou hlavně molekuly celulózy a při psaní na papír vpravujeme koloidní částice (inkoustu) na konkrétní místa mezi tyto molekuly. Jistá podobnost tu tedy je. Stačí jen zaměnit molekuly celulózy za molekuly H2O a vzít v patrnost, že koloidní částice tvůrci nové techniky museli rozptýlit do mnoha kalamářů (v celém prostoru). Že jde o koloidní roztok nikdo nepopírá. Asi tím největším rozdílem tedy je, že místo hrotem pera umísťujeme shluky koloidních částice na potřebné místo pomocí kuličky. Důvody jsou zřejmé - klasickým perem a klasickým kalamářem se v trojrozměrném prostoru manipuluje dost obtížně. Podstatné je, že výsledkem je tak jako u psaní na papír, umístění koloidních částic do konkrétních míst mezi molekuly celulózy, opravuji – mezi molekuly H2O. A protože výsledek byl čitelný lidským okem, za splněné zadání to podle mne považovat lze.
Re: Re: Voda nebo koloid?
Josef Hrncirik,2023-09-01 17:41:35
Škoda, že kuličkové pero bylo patentováno již před 135 lety.
Marečku, namočte mi pero do H2SO4!
Re: Re: Re: Voda nebo koloid?
Josef Pazdera,2023-09-01 18:53:27
Když už jsme zabředli do tak malicherného tlachání, tak v podstatě máte pravdu. I kulička prospisky bere ze svého nejbližšího okolí koloidní částice a umísťuje je do žádaných lokalit. i u toho plastového brka ale zůstává ten manipulační problém u třetího rozměru. Nicméně pan John Loud by jistě měl radost z dalšího vylepšení.
Re: Re: Re: Re: Voda nebo koloid?
Jirka Naxera,2023-09-02 05:46:55
Hmm, jak by rekl klasik, "takove prace to muselo dat..." - jake by mohlo byt prakticke vyuziti?
V puvodnim clanku jsou spis takove ty obecne povidani. Ale zase kdyz by se misto vody pouzila jina kapalina (UV vytvrditelny akrylat? Epoxid/polyester/apod.), tak pokud by nebyl problem s viskozitou, daly by se tak delat zajimave veci, takze asi uziti by se naslo.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce