Bisher führte das Eintauchen eines Füllers ins Wasser lediglich zu verwirbelten Schlieren ohne klare Schrift. Doch stell dir vor, es gäbe einen winzigen „Kugelschreiber“, mit denen du Worte und Linien unter Wasser erzeugen kannst! Das wäre doch völlig verrückt, oder?

Genau das ist aber deutschen Physiker:innen von der JGU Mainz, der TU Darmstadt und der Universität Wuhan gelungen: Mithilfe eines winzigen „Stiftes“ haben sie es geschafft, die Schrift unter Wasser für einige Minuten lesbar zu machen.

Minikugel „schreibt“ ins Wasser

„Um vollständig umkonfigurierbare Linien in einem Mikrometermaßstab in einer Flüssigkeit zu schreiben, ist ein grundsätzlich anderer Ansatz als die Unterwasser-Tintenablagerung oder das Linien-Schnitzen und ein neuer Typ eines Mikro-Stifts ist erforderlich“, schreiben die Autor:innen in der kürzlich in der Zeitschrift Small veröffentlichten Studie.

Laut den Autor:innen wird bei den meisten klassischen Schreibmethoden eine Linie herausgeschnitten oder Tinte abgelagert. Auf einem festen Substrat helfen starke intermolekulare Kräfte dabei, dass die geschriebenen Figuren ihre Form behalten, aber das gilt nicht für Oberflächen, die in Flüssigkeiten eingetaucht sind.

Die clevere Lösung: Das Tintenmittel wird direkt in das Wasser geben, erklärt Thomas Palberg von der Johannes Gutenberg Universität Mainz.

Als Stift agierte dem deutschen Forscher:innenteam dabei ein 20 bis 50 Mikrometer großes Kügelchen aus Ionentauscher-Material, das über den Boden eines Gefäßes gerollt wurde. Was diesen „Kugelschreiber“ wirklich besonders macht, ist die Tatsache, dass er das im Wasser vorhandene Restsalz gegen Protonen austauscht und so den pH-Wert des Wassers lokal verändert.

Der Clou: Je kleiner das Objekt ist, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt, desto weniger Wirbel oder Strudel erzeugt es. Die Minikugel hinterlässt zwar keinerlei Wirbel im Wasser, dafür eine unsichtbare Spur mit einem niedrigeren pH-Wert.

Diese Spur zieht die Tintenpartikel an, und der Weg, den das Kügelchen zurückgelegt hat, wird mit Tinte markiert. Das Ergebnis ist eine feine Linie, die nur wenige Hundertstel Millimeter breit ist.

Es ist möglich, einen Buchstaben in Wasser zu „schreiben“, indem man das Wasserbad kippt, sodass die Kugel eine Bahn zieht, die den gewünschten Buchstaben oder das gewünschte Zeichen nachzeichnet.

„Während unserer ersten Versuche haben wir das Wasserbad manuell bewegt, aber inzwischen haben wir einen programmierbaren Kipper gebaut“, sagte Palberg. „In einem Wasserbad, das nicht größer ist als eine Ein-Euro-Münze, konnten wir ein einfaches hausähnliches Muster in der Größe des Pünktchens eines ‚i‘ in einer 18-Punkt-Schrift erzeugen und dies dann unter dem Mikroskop betrachten.“

Mithilfe der neuen Methode gelang es den Forscher:innen, einfache Figuren im Wasser zu zeichnen, die für einige Minuten sichtbar blieben. Die Simulationen zeigten, dass dieser Trick nicht auf die Bodenfläche eines Glases beschränkt war. Die Technik kann sogar unterbrochene Linien zeichnen, indem der Ionentauschvorgang durch Licht gesteuert wird. Radieren und Korrigieren sind ebenfalls möglich.

Professor Dr. Benno Liebchen und Lukas Hecht von der TU Darmstadt haben ein theoretisches Modell entwickelt, um den Mechanismus hinter diesem faszinierenden Effekt zu erklären. Die zugehörigen Simulationen haben gezeigt, dass dieser Mechanismus vielseitig einsetzbar ist und in Zukunft auf verschiedene Arten umgesetzt werden kann.

Man könnte zum Beispiel Teilchen verwenden, die von Laserlicht erhitzt werden, oder sogar individuell gesteuerte Mikroschwimmer. Liebchen erklärt: „Dies könnte sogar eine umfangreiche parallele Schreibung von Strukturen in Wasser ermöglichen. Daher könnte der Mechanismus auch verwendet werden, um hochkomplexe Dichtemuster in Flüssigkeiten zu erzeugen.“