Жидкие картины: ученые впервые нашли способ рисовать прямо в воде
Что бы ни оказалось в воде, оно дрейфует и рано или поздно куда-то уплывает, не говоря уже о чем-то таком эфемерном, как чернила. Но это не остановило Бенно Либхена и его коллег из Технического университета Дармштадта и Университета имени Иоанна Гутенберга в Германии. Они разработали метод создания долговечных надписей внутри жидкости без использования ручки или карандаша. Рассказываем, как у них это вышло.
Под водой пишут давно, но так, как мы привыкли
Время от времени у дайверов возникает необходимость что-то записать, будь то краткое сообщение товарищу, вид встреченной рыбы, карта места погружения или информация для бортового журнала. Именно здесь на помощь приходят различные инструменты для письма.
Стандартная грифельная доска — это самое простое и, вероятно, самое распространенное устройство для записи информации под водой. Как правило, это белая пластиковая бирка, прикрепленная к какому-либо крючку-зажиму. Такие доски бывают разных размеров и обычно включают карандаш, который крепится к грифелю специальной латексной или пластиковой веревкой. Существуют также светящиеся в темноте варианты, которые отлично подходят для ночных погружений. Такие грифели можно стирать обычным ластиком.
В магнитных грифелях используется специальная технология, позволяющая дайверу писать на пластиковой поверхности специальным намагниченным пером, которое заставляет крошечные магнитные частицы формировать надпись. Намагниченные зерна создают очень заметные отметки, что значительно облегчает чтение.
Водонепроницаемые блокноты содержат устойчивую к разрывам стираемую бумагу. Обычно в обложке на спиральном корешке закреплено 15-30 листов и при необходимости их можно оторвать. К большинству таких блокнотов прилагаются специальные карандаши. По сравнению с другими подводными письменными приборами, блокноты для плавания, как правило, менее громоздки и имеют больше места для записей. Дайвер может заполнить несколько страниц заметками, а закончив писать, просто убрать блокнот в карман.
Но все это, конечно, не сравнится с тем, что недавно придумали исследователи.
Как ученые рисовали под водой
В основе такого письма лежит химический процесс, называемый диффузиоосмосом — спонтанным движением частиц разного типа, вызванным разницей в концентрации внутри жидкой смеси.
В качестве бумаги используется жидкая смесь, содержащая низкую концентрацию заряженных частиц, называемых ионами. Чернила состоят из крупных коллоидных (твердых) частиц, которые тонко рассеяны по всему раствору. В качестве пера — одна маленькая ионообменная частица, способная обменивать заряженные аналоги в жидкой смеси на другие, более мелкие.
При обмене больших ионов на меньшие ионы последние перемещаются (диффундируют) быстрее, что приводит к разнице в концентрации. Подобный градиент концентрации в распределении ионов заставляет двигаться жидкость, вблизи которой находится перо. Движущаяся вода увлекает за собой видимые коллоидные частицы (чернила).
Вращая жидкость (бумагу) на небольшом столике, ученые использовали силу тяжести, чтобы направлять ионообменное перо с частицами через раствор для создания различных узоров. По мере того как перо движется через жидкость, коллоидные частицы притягиваются к ней за счет эффекта градиента концентрации, в результате чего на месте, где побывало перо, остается видимая линия.
Поскольку перо маленькое, оно не сильно нарушает окружающий растворитель (более крупное могло бы взбудоражить воду и разрушить написанное). Коллоидные частицы слишком велики и тяжелы, чтобы сильно перемещаться в неподвижной жидкости, поэтому линии остаются видимыми.
Команда разработала эту методику, используя воду в качестве бумаги, а частицы кремнезема — в качестве чернил, поэтому в дальнейшем они исследовали возможность использования других комбинаций бумаги, ручки и чернил. Многие аспекты технологии письма достаточно устойчивы к изменению этих компонентов, но, конечно, есть и ограничения. Например, если частицы чернил слишком малы, то их будет плохо видно или они будут слишком сильно двигаться, а если они слишком велики — не смогут нормально следовать за жидкостью.
Сейчас команда изучает различные способы управления пером, используя вместо гравитации магнетизм или электрические поля, и, возможно, распространит эту систему на более глубокие жидкие смеси (например, озеро или море).
