為了迎接節日，荷蘭的一群物理學家最近利用冰粒子製作了一棵微型3D列印聖誕樹。然而，這種新穎的方法不僅限於裝飾用途。根據他們在《自然》雜誌上發表的文章，這種方法在地球內外的眾多行業中都可能發揮作用。
為了建造這棵樹，他們利用了蒸發冷卻的原理。這是一種簡單的物理過程，在日常生活中和先進的科學實驗室中都隨處可見。最基本的蒸發冷卻是指環境空氣溫度升高導致液體蒸發成蒸氣。例如，熱咖啡冒出的蒸氣、汗水蒸發，以及諾貝爾獎得主利用雷射冷卻和捕捉單個原子的方法。
阿姆斯特丹大學的研究人員最近在真空容器內噴水以消除空氣阻力時，發現了新的蒸發冷卻現象。當真空環境中的氣壓降至夠低時，液體表面的水分子會不斷以蒸氣的形式逸出。然而，在這些蒸汽分子逸出的同時，其潛熱會冷卻水柱本身。由於射流直徑僅16微米，其極高的表面積/體積比使其具有極高的散熱效率。這使得液體在真空中能夠迅速冷卻，在不到一秒的時間內溫度即可降低數十華氏度，並在撞擊表面後立即凍結。
在親眼目睹了物理現象後，研究團隊意識到，他們可以將3D列印機的噴嘴替換成水刀噴嘴，從而用純冰建造結構。雖然冰列印技術已經存在，但它需要特殊的、通常價格昂貴的添加劑。
物理學家寫道：“以往的冰列印方法依賴於冷卻的基底或低溫基礎設施（液態氮、液態氦）。我們的方法將噴射裝置整合到一台商用3D列印機中，並將其置於透明的真空腔內。”
一旦設計輸入到印表機中，其運動控制系統就能像控制樹脂擠出機一樣精確地引導水刀。
他們解釋說：「凍結延遲在這裡變得至關重要：沉積的水在完全凝固前會保持液態約0.5秒。在這半秒鐘內，由射流形成的多個液滴會匯聚成一條連貫的線。表面張力使它們保持在一起。然後，突然之間，結晶開始並蔓延至整個層。」
他們製作的概念驗證型冰聖誕樹只有大約3.14英寸高，但它的意義遠不止於一件新奇的裝飾品。在建造樹脂或聚合物結構時，可以預先澆鑄3D列印的冰塊，然後將其融化，留下乾淨的中空通道。同樣的原理也可以應用在組織工程手術上。而且，由於物理原理，無需添加任何添加劑。
「列印完成後，真空釋放，冰會乾淨利落地融化成水——沒有殘留物，也沒有後處理廢料，」團隊寫道。
這項技術還有應用於遠離地球的太空的可能性。火星表面的壓力完全在其真空印表機的運作範圍內。理論上，太空人甚至可以利用當地的冰層進行3D列印，而無需從地球上攜帶昂貴笨重的低溫設備。這並非奇蹟，而是物理學原理。
