Группа физиков из Нидерландов недавно изготовила крошечную рождественскую ёлку из ледяных частиц с помощью 3D-принтера. Однако этот новый метод полезен не только для декоративных проектов. Согласно их объяснению в журнале Nature, этот подход может быть полезен в различных отраслях — как на Земле, так и за её пределами.
Чтобы создать ёлку, они использовали принцип испарительного охлаждения. Это простой физический процесс, который можно наблюдать как в повседневной жизни, так и в передовых научных лабораториях. На базовом уровне испарительное охлаждение происходит, когда температура окружающего воздуха превращает жидкость в пар. Примеры включают пар, поднимающийся от чашки горячего кофе, и испаряющийся пот, а также метод охлаждения и улавливания отдельных атомов с помощью лазерного света, за который была присуждена Нобелевская премия.
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 своей водяной струёй для создания структур из чистого льда. Хотя печать изо льда уже существует, она требует специальных, зачастую дорогостоящих добавок.
«Предыдущие методы печати изо льда 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 точно так же, как и экструдер для смолы.
«Именно здесь задержка замерзания становится критической: 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 сплошную линию. Поверхностное натяжение удерживает их вместе. Затем внезапно начинается кристаллизация и распространяется по всему слою».
Их ёлка, созданная в качестве доказательства концепции, имеет высоту всего около 3,14 дюймов, но её значение выходит за рамки необычного украшения. Печатные на 3D-принтере ледяные фигуры могут быть отлиты при изготовлении структур из смолы или полимера, а затем расплавлены, чтобы оставить после себя чистые, полые каналы. Те же принципы могут быть применены в инженерии тканей для 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 вполне соответствует рабочему диапазону 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.