물 속에서 글을 쓰는 방법?

마인츠 대학, 다름슈타트 공과대, 우한 대학의 연구원들은 대량의 액체 내에서 선, 문자 및 복잡한 패턴을 쓰고 그리는 데 대한 근본적인 장애물을 극복했습니다.

요하네스 구텐베르크 대학교 마인츠

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

글쓰기는 오래된 문화기술이다. 수천년 전에 인간은 이미 돌판에 기호와 상징을 조각하고 있었습니다. 그 이후로 문자는 훨씬 더 정교해졌지만 한 가지 측면은 여전히 ​​동일합니다. 작가가 설형 문자를 사용하든 현대 알파벳을 사용하든 관계없이 기록된 구조를 제자리에 고정하려면 점토나 종이와 같은 견고한 기판이 필요합니다. 그러나 요하네스 구텐베르크 대학교 마인츠(JGU), TU 다름슈타트 및 우한 대학교의 연구원들은 기판을 고정하지 않고 물과 같은 대량 유체에 쓰는 방법을 스스로에게 물었습니다. 이 개념은 마른 종이에 펜으로 2차원 글씨를 쓰는 것과 비교하면 항공기가 하늘을 횡단할 때 뒤에 3차원 증기 흔적을 남기는 방식과 다르지 않습니다. 만년필의 펜촉을 물에 담그고 그 물로 뭔가를 쓰려고 하면 물론 거의 성공하지 못할 것입니다. 상대적으로 큰 펜촉이 물 속에서 움직이면 난류가 발생하여 결국 남겨진 잉크 흔적이 모두 제거됩니다. 그러나 레이놀즈 수, 즉 유체 흐름을 계산하는 데 사용되는 요소는 다음을 나타냅니다. 움직이는 물체가 작을수록 생성되는 소용돌이의 수가 줄어듭니다. 그러나 이를 활용하려면 매우 미세한 펜이 필요하며 이를 위해서는 작은 펜의 효과를 상쇄할 수 있는 엄청난 양의 잉크 저장소가 필요합니다.

펜 역할을 하는 이온 교환 구슬

연구팀은 이런 본질적인 문제를 극복하기 위해 완전히 새로운 전략을 채택하기로 결정했다. “잉크를 물에 직접 담그고, 직경 20~50미크론의 이온교환물질로 만든 마이크로비드를 필기구로 사용해, "라고 JGU의 Thomas Palberg 교수는 설명했습니다. 이 구슬은 너무 작아서 소용돌이가 전혀 발생하지 않습니다. 영리한 점은 구슬이 물 속의 잔류 양이온을 양성자와 교환하여 물의 국지적 pH 값을 변경한다는 것입니다. 비드를 수조 바닥 위로 굴리면 액체의 낮은 pH에 대한 보이지 않는 흔적이 추적됩니다. 이는 잉크 입자를 끌어당겨 볼 포인트로 표시된 경로에 축적됩니다. 그 결과 가장 낮은 pH 값의 영역을 표시하는 폭이 수백 미크론에 불과한 미세한 선이 만들어집니다.

실제로 물 속에 편지를 쓰려면, 필요한 문자의 윤곽을 잡기 위해 구슬이 움직이는 방식으로 수조를 기울이면 됩니다. "첫 번째 시도에서 우리는 수조를 손으로 옮겼지만 이후 프로그래밍 가능한 로커를 만들었습니다."라고 Palberg는 계속 말했습니다. "1유로 동전보다 크지 않은 수조에서 18포인트 글꼴의 'I' 문자 제목 크기로 간단한 집 모양의 패턴을 만든 다음 이를 현미경으로 관찰할 수 있었습니다. 하지만 아직은 초기 단계에 불과하다”고 말했다. 다른 시뮬레이션에서 볼 수 있듯이 연속된 선을 사용하여 생성할 수 있는 모든 종류의 서면 형식을 쉽게 재현할 수 있습니다. 또한, 예를 들어 빛 노출 기술을 사용하여 이온 교환 프로세스를 마음대로 켜고 끌 수 있기 때문에 별도의 문자 사이의 끊김과 같은 중단도 달성할 수 있습니다. 작성된 내용의 삭제 및 수정도 가능합니다.

다양하게 활용될 수 있는 비특이적 효과

다름슈타트 공과대학의 Benno Liebchen 교수와 Lukas Hecht는 물 속에서 글씨를 쓸 수 있게 만드는 메커니즘을 설명하는 이론적 모델을 개발했습니다. 응축 물질 물리학 연구소의 연성 물질 이론 그룹 책임자인 Liebchen에 따르면 해당 시뮬레이션은 이 메커니즘이 일반적이고 비특이적인 효과이므로 다양한 형태로 사용될 수 있음을 보여주었습니다. IPKM) TU 다름슈타트에서. "이온 교환 수지로 만든 구슬 외에도 레이저로 가열할 수 있는 입자로 구성된 '펜'을 사용할 수도 있고 개별적으로 조종할 수 있는 마이크로 스위머도 사용할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. "이를 통해 물 속에서 구조를 광범위하게 병렬적으로 기록할 수도 있습니다. 따라서 이 메커니즘은 유체에서 매우 복잡한 밀도 패턴을 생성하는 데에도 사용될 수 있습니다."