فیزیکدانان آلمانی از یک ریزدانه تبادل یونی به عنوان یک «قلم» بسیار کوچک استفاده کردند. قدمت نگارش و طراحی‌های انسان حداقل به ۳۰،۰۰۰ سال قبل برمی‌گردد و تکنیک‌های سنتی مانند حکاکی، کنده‌کاری، و چاپ/نوشتن با جوهر و همچنین روش‌های جدیدتری مانند لیتوگرافی الکترونی را شامل می‌شود. بر اساس مقاله ای که اخیراً در مجله Small منتشر شده است، تیمی از فیزیکدانان آلمانی روشی منحصر به فرد را برای نوشتن در آب و سایر بسترهای سیال پیدا کرده‌اند.
به گفته نویسندگان این مقاله، بیشتر روش‌های کلاسیک نوشتن شامل همان رویکرد اصلی است که در آن یک خط کنده شده یا با نشست جوهر انجام می‌شود. روی یک بستر جامد، نیروهای بین مولکولی قوی به طرح‌های نگارش شده کمک می‌کند تا شکل خود را حفظ کنند، اما این مورد برای سطوح غوطه ور در مایعات صدق نمی کند. تحقیقات قبلی از لیتوگرافی کاوشگر روبشی برای نوشتن روی تک لایه‌های غوطه ور در سیالات یا رساندن ساختارها به مقیاس میکرون با استفاده از پلیمریزاسیون دو فوتونی استفاده کرده‌اند. آنها می‌گویند که «اکنون حتی تخته‌های غواصی تجاری برای نوشتن در زیر آب و روی یک بستر وجود دارد».
با این حال، همه این روش‌ها همچنان به یک بستر متکی هستند. این تیم آلمانی می‌خواست وسیله ای برای «نوشتن روی یک سیال» ابداع کند. چنین روشی باید به اندازه کافی قوی باشد تا با پراکندگی سریع خطوط ترسیم شده مقابله کند، و برای این کار به یک «قلم» بسیار کوچک نیاز است که هنگام حرکتِ خود باعث بروز آشفتگی زیادی در محیط سیال نشود. (هرچه جسمی که در سیال حرکت می‌کند کوچکتر باشد، گردابها یا درهم پیچیدگی های کمتری ایجاد می‌کند.)
به‌عنوان مثال، این نوع تلاطم برای چیزی مانند آسمان نویسی در مقیاس کلان مشکلی ایجاد نمی‌کند، زیرا این «قلم» بسیار کوچکتر از حروف نوشته شده در هوا است. با این حال، نگارندگان این مقاله نوشتند: «برای نگارش خطوط کاملاً قابل تشخیص در یک مایع در مقیاس میکرو، رویکردی اساساً متفاوت از رسوب جوهر زیر آب یا حکاکی خط و در حقیقت نوع جدیدی از میکرو – قلم مورد نیاز است.
راه نوشتن روی آب
راه حل: به گفته توماس پالبرگ از نویسندگان این مقاله از دانشگاه یوهانس گوتنبرگ دانشگاه ماینز، جوهر را مستقیماً در آب قرار دهید و از یک ریزدانه ساخته شده از مواد تبادل یونی به عنوان قلم استفاده کنید، مراقب باشید قطر آن بین ۲۰ تا ۵۰ میکرون باشد. نوک این قلم در مقایسه با مخزن جوهر آنقدر کوچک است که اصلاً گرداب تولید نمی کند. نوک قلم با تغییر مقدار pH محلی آب، «می‌نویسد» و ذرات جوهر را به آن نواحی جذب می‌کند. می‌توان با کج کردن حجم آب، یک حرف را در آب «نوشت» به‌گونه‌ای که نوک قلم در مسیری حرکت کند که هر حرف یا نویسه‌ای را که فرد می‌خواهد ترسیم کند. سپس ذرات جوهر در امتداد آن مسیر جمع می‌شوند و تمام! یک حرف را در آب نوشته‌اید.
پالبرگ گفت: «در اولین تلاش‌هایمان، حجم آب را با دست جابه‌جا کردیم، اما پس از آن یک راکر قابل برنامه‌ریزی ساختیم. «در حجم آبی که بزرگ‌تر از یک سکه یک یورویی نبود توانستیم یک الگوی خانه‌مانند ساده به اندازه یک کاراکتر حرف «I» با نوک فونت ۱۸ ایجاد کنیم و سپس آن را زیر میکروسکوپ مشاهده کردیم.»
پالبرگ تأکید می‌کند که این کار در درجه اول اثبات این اصل است و تحقیقات آنها هنوز کاملاً مقدماتی است. اما بر این باور هستند که روش آنها باید بتواند هر نوع نوشته ای را که از خطوط پیوسته استفاده می‌کند، بازتولید کند. حتی ممکن است با روشن و خاموش کردن فرآیند تبادل یونی در صورت لزوم، یا پاک کردن و/یا تصحیح آنچه نوشته شده است، بتوان بین حروف جداگانه فاصله ایجاد کرد. همچنین ممکن است استفاده از جوهرهای «چسبنده» حساس به اشعه UV بتواند به ثابت کردن خطوط و حروف در محل برای مدت طولانی تری کمک کند.
یکی از نویسندگان این مقاله گفت: «علاوه بر نوک قلم که از رزین‌های تبادل یونی ساخته شده‌است، می‌توان از «قلم‌های» متشکل از ذرات که می‌توانند با لیزر گرم شوند، یا حتی میکروشناگرهایی که به صورت جداگانه هدایت می‌شوند، استفاده کرد. این کار حتی می‌تواند امکان نوشتن موازی ساختارها را در آب فراهم کند. از این رو، این مکانیسم همچنین می‌تواند برای تولید الگوهای چگالی بسیار پیچیده در سیالات استفاده شود».