Группа физиков из Нидерландов недавно изготовила крошечную рождественскую ёлку из ледяных частиц с помощью 3D-принтера. Однако новый метод полезен не только для декоративных проектов. Согласно их объяснению в журнале Nature, этот подход может найти применение в различных отраслях — как на Земле, так и за её пределами.
Чтобы создать ёлку, они использовали испарение для охлаждения. Это простой физический процесс, который мы наблюдаем и в повседневной жизни, и в научных лабораториях. На базовом уровне испарительное охлаждение происходит, когда температура окружающего воздуха превращает жидкость в пар. Примеры включают пар, поднимающийся от горячей чашки кофе, и испаряющийся пот, а также метод, за который присудили Нобелевскую премию — использование лазерного света для охлаждения и захвата отдельных атомов.
Исследователи из Амстердамского университета недавно обнаружили ещё один пример испарительного охлаждения при распылении воды для устранения воздушного сопротивления внутри вакуумного контейнера. Когда давление воздуха в вакууме стало достаточно низким, молекулы воды на поверхности жидкости начали постоянно испаряться. Однако по мере того как молекулы пара уходили, их скрытая теплота охлаждала саму водяную струю. Благодаря тому, что диаметр струи составлял всего 16 микрометров, её высокое отношение площади поверхности к объёму сделало её чрезвычайно эффективной для отвода тепла. Это позволяет жидкости быстро охлаждаться в вакууме, снижая температуру на десятки градусов по Фаренгейту менее чем за секунду и замерзая сразу после удара о поверхность.
После наблюдения за физикой в действии команда поняла, что может заменить сопло 3D-принтера на свою водяную струю для создания структур из чистого льда. Хотя печать льдом уже существует, она требует специальных, зачастую дорогостоящих добавок.
«Предыдущие методы печати льдом основывались на охлаждённых подложках или криогенной инфраструктуре (жидкий азот, гелий)», — написали физики. «Наш подход интегрирует струю в коммерческий 3D-принтер, размещённый внутри прозрачной вакуумной камеры».
После ввода дизайна в принтер его система управления движением направляла водяную струю так же, как и экструдер для смолы.
«Здесь критична задержка замерзания: нанесённая вода остаётся жидкой примерно 0,5 секунды, прежде чем полностью затвердеть», — пояснили они. «В течение этого полусекундного окна несколько капель, образовавшихся из струи, сливаются в единую линию. Поверхностное натяжение удерживает их вместе. Затем внезапно начинается кристаллизация, которая распространяется по всему слою».
Их ёлка, созданная в качестве доказательства концепции, имеет высоту всего около 3,14 дюйма, но её значение выходит за рамки необычного украшения. Печатаемые на 3D-принтере ледяные формы могут быть отлиты при создании структур из смолы или полимера, а затем расплавлены, чтобы оставить после себя чистые, полые каналы. Те же принципы могут быть применены в тканевой инженерии для проведения операций. И благодаря физике никакие добавки не требуются.
«Как только печать завершена и вакуум сброшен, лёд тает до состояния воды — без остатков, без отходов после обработки», — написала команда.
Есть также возможности для использования вдали от Земли. Поверхностное давление на Марсе находится в пределах рабочего диапазона их вакуумного принтера. Теоретически астронавты могли бы даже печатать структуры из местного льда методом 3D-печати без необходимости перевозить дорогостоящие и громоздкие криогенные инструменты из дома. Это не рождественское чудо — это физика.