Блог компании ua-hosting.company. Одним из древнейших методов передачи и хранения информации является письмо. На протяжении тысячелетий инструменты и материалы, используемые в письменности, претерпели немало изменений благодаря технологическому прогрессу. Чтобы оставить записку, более не нужны каменные скрижали или глиняные таблички, достаточно листа бумаги и шариковой ручки.

Несмотря на явное отличие между вышеуказанными инструментами письма, у них есть одно малозаметное, но вполне логичное сходство — и в первом, и во втором методе информация наносится на твердую поверхность. Если же в качестве бумаги будет выступать вода, то процесс написания чего-либо будет фактически невозможным.

Но, как показывает практика, для научного сообщества невозможное остается таковым пока не доказано обратное. Ученые из Майнцского университета (Майнц, Германия) провели исследование, в котором установили, что писать в воде все же реально, но для этого необходимо соблюдать определенные правила и учитывать определенные параметры.

Как ученые научились писать в воде, какие для этого использовались инструменты, и какое практическое применение может быть у столь нестандартной разработки? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Традиционные методы письма включают резьбу и гравировку, а также печать и письмо чернилами. Различные новые методы расширяют и дополняют эти традиционные методы, включая (электронную) литографию, оптический пинцет, прямую печать или манипуляции с силовой микроскопией.

В более классических подходах создается локальное изменение плотности материала в форме линии внутри или на протяженной подложке, выступающей в качестве фона: вырезается линия или наносится немного чернил. Твердая подложка стабилизирует изменение плотности за счет сильных межмолекулярных сил, сохраняя ее форму.

Тот же принцип был применен для письма на поверхностях, погруженных в жидкость. Например, сканирующая зондовая литография использовалась для вырезания или нанесения линий внутри или на поверхности самоорганизующихся монослоев, погруженных в жидкости, содержащие подходящие химические вещества. Кроме того, с помощью двухфотонной полимеризации возможна печать сложных структур микронного размера.

Если же выйти за пределы лабораторий со сверхсложным и крайне дорогим оборудованием, то мы по-прежнему найдем примеры инструментов для письма под водой — специальные планшеты для дайверов. Но и тут мы имеем дело с письмом на подложке, необходимой для фиксации письменных структур и для обеспечения механической поддержки.

Письмо в жидкости, т. е. без каких-либо подложек, требует механизма, который не зависит от подобных требований. Механизм также должен быть устойчив к быстрому рассеиванию линий, которое может привести к короткому сроку службы любых нарисованных линий. Фактически, даже в неподвижной (без конвекции) жидкости движущееся перо будет передавать кинетическую энергию жидкости, вызывая дисперсию линий локально создаваемыми вихрями.

Фактически, чтобы писать полностью реконфигурируемые линии в жидкости на микромасштабе, требуется подход, фундаментально отличающийся от подводного нанесения чернил или вырезания линий, а также новый тип микроручки.

Если неподвижная жидкость это проблема, то почему бы не использовать подвижную. Как отмечают ученые, подвижная жидкость предлагает альтернативный способ написания линий за счет транспорта частиц по заданному шаблону. Представьте себе, что вы начинаете с однородной плотности частиц чернил в неподвижной жидкости и используете ручку, которая притягивает частицы чернил к себе и/или к своей траектории. Если результирующий процесс нарастания является достаточно эффективным и быстрым по сравнению с последующим рассеиванием частиц чернил, увеличение плотности чернил может произойти за пределами пера, и линия будет написана. В качестве ключевых компонентов этот подход требует достаточного диапазона притяжения для переноса частиц, медленной дисперсии линий и подходящего способа управления пером. Проще говоря, чернила уже присутствуют в жидкости, а перо/ручка притягивают их, формируя тем самым линии.

Для удовлетворения первого требования можно использовать направленный транспорт коллоидных частиц с помощью химических, термических или световых градиентов. Ключевым примером являются форетические эффекты, когда наложенный градиент приводит к разнице в химическом потенциале вдоль поверхности частицы и вызывает скольжение соседней жидкости вдоль поверхности, что, в свою очередь, вызывает направленное движение частицы.

В труде Universal turbulent relaxation of fluids and plasmas by the principle of vanishing nonlinear transfers ученые создали коллоидную сверхплотность, развивающуюся по траектории в течение нескольких минут. Для этого использовался большой «маяк», наполненный химикатами, падающий под действием силы тяжести. В этом опыте коллоидное движение зависело от локальной силы и направления градиента концентрации электролита. Другими словами, данное исследование демонстрирует возможность писать свободно плавающие линии в жидкости, но продемонстрированному методу не хватает возможности целенаправленного управления пером/ручкой.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый метод написания линий в жидкости (или «на жидкости»), т. е. без каких-либо твердых подложек. В этом методе шарики ионообменной смолы (IEX от ion-exchange resin) используются в качестве полностью управляемой микроручки, а наличие твердой подложки используется только для сборки линии, но не для фиксации чернил. Вместо этого линии пишутся рядом с подложкой, но не прикрепляются к ней, образуя свободно плавающие долгоживущие линии, которые можно реконфигурировать. При этом существует возможность повторно использовать чернила для написания новых линий перед фактической фиксацией их на подложке.

Для реализации вышеописанного процесса ученые использовали эффективный способ транспортировки коллоидов по протяженным поверхностям: шарик ионообменной смолы (ручка) вызывает так называемый диффузио-осмотический (DO от diffusio–osmotic) поток. Такой поток возникает потому, что процесс ионного обмена вызывает неоднородный профиль концентрации, который вызывает напряжение (силу) на растворитель внутри межфазного слоя подложки, что приводит к потоку растворителя в направлении IEX. Затем этот поток переносит коллоидные трассеры к IEX, что можно рассматривать как эффективное притяжение между IEX и трассерами.