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物理学家找到了一种无需冰箱即可在室温下 3D 打印冰的方法
在真空中，蒸发的水可以自行冻结成精致的、无支撑的结构。
来源:ZME科学一股室温水射流进入真空室，分解成微小的水滴，并在几分之一秒内变成冰。通过操纵这架喷气式飞机，阿姆斯特丹的研究人员现在可以使用改进的 3D 打印机来建造微型圣诞树、倾斜的柱子，甚至人脸的轮廓，而无需冷藏打印机或从下面支撑冰。
在《美国国家科学院院刊》上发表的新研究中，阿姆斯特丹大学的 Menno Demmenie、Stefan Kooij 和 Daniel Bonn 报告了一种利用低压使水自行冷却的 3D 打印方法。他们表示，他们的设计可能会在制造微流体通道和组织支架的一次性模具方面找到第一个实际应用。研究人员表示，在更远的未来，同样的物理原理甚至可能在火星上发挥作用。
在低压下，水分子迅速从液体表面逸出。每个离开的分子都会带走能量，冷却留下的水——这与蒸发汗水冷却皮肤的基本原因相同。
该装置将极细的水流喷射到接近真空的状态，在不到一秒的时间内就达到冰点以下的温度。当水到达正在生长的结构时，它就准备好变成冰了。
“这个原理并不新鲜，但它在 3D 打印中的应用却是新的，”波恩在该作品随附的施普林格自然评论中写道。
3D 打印冰背后的想法几乎是偶然产生的。波恩记得他的团队在真空中喷水以消除空气阻力时发现水滴结冰了。他们最终将水射流放到室内的 3D 打印机上，并对他们可以用它做的事情感到惊讶。
水如何成为自己的制冷剂
研究人员首先以熟悉的逐层方式打印。他们的展示对象是一棵冰圣诞树，高约 8 厘米，底部宽 6 厘米。建造时间为 26 分钟，没有冷藏平台、冷却盘管或低温气体。
高速视频揭示了一个重要细节：水滴在撞击现有冰块时并没有立即冻结。相反，它们保持液态大约半秒钟。在那短暂的时间内，几个水滴合并成一条连续的线。表面张力和水没有完全扩散到冰上的事实有助于防止管线在结冰之前塌陷。
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当研究人员减慢打印机的侧向运动时，水会积聚并向上冻结，将狭窄的冰脊升入空旷的空间。改变打印速度会改变生长柱的角度。
因此，该团队在最终设计中利用了这一见解，在短短 8 秒内追踪了 6 厘米高的人体轮廓。在颈部，冰层仅下降到水平面上方约 14 度，但下方不需要任何支撑。
Ice 3D打印本身并不新鲜。卡内基梅隆大学 2022 年的一项研究通过将液滴沉积到冷却至 -35 摄氏度的平台上，展示了无支撑的微型冰结构和悬垂结构。
阿姆斯特丹科学家的贡献是用真空驱动蒸发取代冷阶段。根据这项新研究，其装置的运行速度比早期的冷表面、按需投放方法快大约 100 倍，同时避免了制冷设备。
那么，为什么要打印会融化的东西呢？
对于许多提议的用途来说，熔化是重点。
分支冰结构可以嵌入树脂或其他材料中，然后融化，留下空心通道网络。这种牺牲模板可以帮助工程师制造复杂的微流体通道或包含类似于血管网络的空间的组织支架。
然后是火星。它的表面压力约为 6 毫巴，接近研究人员利用的压力，并且其极地地区有丰富的水冰。他们认为，未来的机器可能会使用当地的水来进行屏蔽或其他结构，而无需从地球上运输制冷设备。