Comment écrire dans l'eau ?

Des chercheurs de l'Université de Mayence, de la TU Darmstadt et de l'Université de Wuhan surmontent les obstacles fondamentaux pour écrire et dessiner des lignes, des lettres et des motifs complexes dans la masse d'un liquide.

Université Johannes Gutenberg de Mayence

image : Une sélection d'images dessinées dans l'eau (échelles linéaires : 250 µm)Voir plus

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

L'écriture est une technique culturelle ancestrale. Il y a des milliers d’années, les humains gravaient déjà des signes et des symboles sur des dalles de pierre. Les écritures sont devenues beaucoup plus sophistiquées depuis, mais un aspect reste le même : que l'écrivain utilise un alphabet cunéiforme ou moderne, un substrat solide, comme de l'argile ou du papier, est nécessaire pour fixer les structures écrites en place. Cependant, des chercheurs de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), de la TU Darmstadt et de l'Université de Wuhan se sont demandé comment écrire dans un fluide en vrac comme l'eau sans fixer de substrats. Le concept ne serait pas sans rappeler la façon dont les avions laissent derrière eux des traînées de vapeur tridimensionnelles lorsqu'ils traversent le ciel – comparé à l'écriture bidimensionnelle avec un stylo sur du papier sec. Lorsque vous trempez la plume d’un stylo-plume dans l’eau et essayez d’écrire quelque chose avec dans l’eau, vous n’aurez bien sûr que peu de succès. Le mouvement de la plume relativement grande dans l’eau crée des turbulences qui finiront par éradiquer toutes les traces d’encre laissées. Mais comme l'indique le nombre de Reynolds, c'est-à-dire le facteur utilisé pour calculer le débit du fluide : plus l'objet en mouvement est petit, plus le nombre de vortex qu'il créera est faible. Cependant, pour en profiter, il faudrait un stylo vraiment minuscule, ce qui nécessiterait un réservoir d'encre massif qui annulerait l'effet du stylo minuscule.

Une perle échangeuse d'ions servant de stylo

L'équipe de chercheurs a décidé d'adopter une toute nouvelle stratégie pour surmonter ce problème inhérent : "Nous avons mis l'encre directement dans l'eau et utilisons une microbille constituée d'un matériau échangeur d'ions d'un diamètre de 20 à 50 microns comme instrument d'écriture, " a expliqué le professeur Thomas Palberg de JGU. Cette perle est si petite qu’elle ne génère aucun tourbillon. Le plus astucieux est que la perle échange les cations résiduels dans l’eau contre des protons, modifiant ainsi la valeur locale du pH de l’eau. Si la perle est roulée sur la base d’un bain-marie, elle trace une trace invisible d’un pH plus faible dans le liquide. Cela attire les particules d'encre et celles-ci s'accumulent dans le chemin délimité par la pointe à bille. Le résultat est une fine ligne de quelques centièmes de microns de largeur, délimitant la zone où le pH est le plus bas.

Pour écrire une lettre dans l'eau, il suffit d'incliner le bain-marie de manière à ce que la perle bouge pour tracer le caractère souhaité. "Lors de nos premières tentatives, nous avons déplacé le bain-marie à la main, mais nous avons depuis construit une bascule programmable", a poursuivi Palberg. "Dans un bain-marie pas plus grand qu'une pièce d'un euro, nous avons pu produire un motif simple ressemblant à une maison de la taille du titre d'un caractère "I" dans une police de 18 points, puis l'avons observé au microscope. Mais nous n’en sommes encore qu’à la phase préliminaire. » Tout type de forme écrite pouvant être produite à l’aide de lignes continues peut être facilement reproduite, comme l’ont montré d’autres simulations. De plus, des interruptions, telles que des coupures entre des lettres distinctes, pourraient également être obtenues car, par exemple, le processus d'échange d'ions pourrait être activé et désactivé à volonté à l'aide de techniques d'exposition à la lumière. Même l'effacement et la correction de ce qui a été écrit sont possibles.

Un effet non spécifique qui peut être utilisé de diverses manières

Le professeur Benno Liebchen et Lukas Hecht de la TU Darmstadt ont développé un modèle théorique qui explique le mécanisme qui rend viable l'écriture dans l'eau. Les simulations correspondantes ont démontré que ce mécanisme est un effet générique et non spécifique et pourrait donc être utilisé sous une grande variété de formes, selon Liebchen, qui dirige le groupe Théorie de la matière molle à l'Institut de physique de la matière condensée ( IPKM) à la TU Darmstadt. "En plus des billes constituées de résines échangeuses d'ions, des 'stylos' constitués de particules pouvant être chauffées par des lasers pourraient être utilisés ou même des micro-nageurs orientables individuellement", a-t-il noté. "Cela pourrait même permettre une écriture parallèle étendue des structures dans l'eau. Par conséquent, le mécanisme pourrait également être utilisé pour générer des modèles de densité très complexes dans les fluides."