Come scrivere nell'acqua?

I ricercatori dell’Università di Magonza, della TU Darmstadt e dell’Università di Wuhan superano gli ostacoli fondamentali per scrivere e disegnare linee, lettere e modelli complessi all’interno della maggior parte di un liquido

Johannes Gutenberg Universität Magonza

immagine: una selezione di immagini disegnate nell'acqua (scala lineare: 250 µm)vedere di più

Crediti: ill./©: Thomas Palberg, Benno Liebchen

La scrittura è una tecnica culturale antichissima. Migliaia di anni fa, gli esseri umani già incidevano segni e simboli su lastre di pietra. Da allora le scritture sono diventate molto più sofisticate, ma un aspetto rimane lo stesso: sia che lo scrittore utilizzi l'alfabeto cuneiforme o quello moderno, è necessario un substrato solido, come argilla o carta, per fissare le strutture scritte in posizione. Tuttavia, i ricercatori dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), della TU Darmstadt e dell’Università di Wuhan si sono chiesti come scrivere in un fluido sfuso come l’acqua senza fissare i substrati. Il concetto non sarebbe diverso dal modo in cui gli aerei lasciano dietro di sé scie di vapore tridimensionali quando attraversano il cielo, rispetto alla scrittura bidimensionale con una penna su carta asciutta. Quando immergi il pennino di una penna stilografica nell'acqua e provi a scrivere qualcosa nell'acqua, ovviamente, avrai poco successo. Il movimento del pennino relativamente grande attraverso l'acqua crea turbolenze che alla fine elimineranno qualsiasi traccia di inchiostro lasciata. Ma come indica il numero di Reynolds, ovvero il fattore utilizzato per calcolare il flusso dei fluidi: quanto più piccolo è l'oggetto in movimento, tanto minore sarà il numero di vortici che creerà. Tuttavia, per trarne vantaggio, sarebbe necessaria una penna veramente minuscola e ciò richiederebbe un enorme serbatoio di inchiostro che annullerebbe l'effetto della minuscola penna.

Una perla di scambio ionico che funge da 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 microperla 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 cosa intelligente è che la perla scambia i cationi residui nell'acqua con protoni, alterando così il valore locale del pH dell'acqua. Se la perla viene fatta rotolare sulla base di un bagnomaria, traccia una traccia invisibile di pH più basso nel liquido. Questo attira le particelle di inchiostro e queste si accumulano nel percorso tracciato dalla punta a sfera. Il risultato è una linea sottile di poche centinaia di micron di larghezza, che delimita l'area con il valore di pH più basso.

Per scrivere effettivamente una lettera nell'acqua, è sufficiente inclinare il bagnomaria in modo tale che la perlina si muova per delineare il carattere richiesto. "Durante i nostri primi tentativi, abbiamo spostato manualmente il bagnomaria, ma da allora abbiamo costruito un'oscillazione 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 l'abbiamo osservato 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 potrebbero ottenere anche interruzioni, come ad esempio tra lettere separate, poiché, ad esempio, il processo di scambio ionico potrebbe essere attivato e disattivato a piacimento utilizzando tecniche di esposizione alla luce. È possibile anche la cancellazione e la correzione di quanto scritto.

Un effetto non specifico che può essere utilizzato in vari modi

Il professor Benno Liebchen e Lukas Hecht della TU Darmstadt hanno sviluppato un modello teorico che spiega il meccanismo che rende praticabile la scrittura nell'acqua. Le simulazioni corrispondenti hanno dimostrato che questo meccanismo è un effetto generico, 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 di fisica della materia condensata ( IPKM) alla TU Darmstadt. "Oltre alle perle fatte di resine a scambio ionico, potrebbero essere impiegate 'penne' costituite da particelle che possono essere riscaldate dai laser o addirittura micronuotatori orientabili individualmente", ha osservato. "Ciò potrebbe anche consentire un'ampia scrittura parallela di strutture nell'acqua. Pertanto, il meccanismo potrebbe essere utilizzato anche per generare modelli di densità altamente complessi nei fluidi."