Физики напечатали на 3D-принтере новогоднюю елку из микрокристаллов льда

Под занавес уходящего года голландские исследователи подарили миру холодильной техники и аддитивных технологий изящный эксперимент: они создали миниатюрную рождественскую елку методом 3D-печати, используя в качестве «чернил» воду, а в качестве «охладителя» — вакуум и эффект испарительного охлаждения.

Этот метод, описанный в журнале Nature, бросает вызов традиционным подходам к формированию льда и открывает новые возможности для инженеров.

Исследователи обнаружили эффект, распыляя воду в вакуумной камере. При достаточно низком давлении молекулы воды с поверхности струи начали активно испаряться, забирая с собой скрытую теплоту и охлаждая саму струю диаметром всего 16 микрометров. Благодаря высокому отношению площади поверхности к объему, такая струя чрезвычайно эффективно теряет тепло, охлаждаясь на десятки градусов за доли секунды и мгновенно замерзая при контакте с поверхностью.

Осознав потенциал явления, команда заменила стандартную головку 3D-принтера на свою водяную струю, размещенную в прозрачной вакуумной камере.

«Предыдущие методы печати льдом требовали охлаждаемых подложек или криогенной инфраструктуры. Наш подход интегрирует струю в коммерческий 3D-принтер»,

— пояснили ученые.

После загрузки модели принтер управляет движением водяной струи, как обычным экструдером.

«Здесь критически важна задержка замерзания: осажденная вода остается жидкой примерно 0,5 секунды до полной кристаллизации. За это полсекунды капли от струи сливаются в сплошную линию благодаря поверхностному натяжению, а затем начинается мгновенная кристаллизация по всему слою»,

— объясняют физики.

Перспективы применения новой технологии:

1. «Холодное» литье: Ледяные формы, напечатанные с высокой точностью, могут служить выплавляемыми моделями для отливки полимерных или композитных деталей со сложными внутренними каналами (например, для теплообменников). После отливки модель просто тает, не оставляя следов и не требуя механического удаления.

2. Чистота процесса: «После завершения печати и сброса вакуума лед превращается в чистую воду — без остатка, примесей и необходимости в постобработке», — отмечают разработчики. Это критически важно для медицины или микроэлектроники.

3. Космические применения: Давление на поверхности Марса идеально попадает в рабочий диапазон такой вакуумной установки. Теоретически астронавты могли бы даже печатать на 3D-принтере конструкции из местных залежей льда без необходимости везти дорогостоящие и громоздкие криогенные инструменты с Земли.

Таким образом, этот праздничный эксперимент наглядно демонстрирует, как глубокое понимание термодинамики и фазовых переходов позволяет создавать элегантные технологические решения. Это не просто новогодняя сказка, а серьезная заявка на метод, способный изменить подходы к формообразованию в условиях сверхнизких температур.