Koelen door verdamping

Het geheim van het ijsprinten schuilt in de zogenaamde verdampingskoeling – een principe dat zoogdieren, waaronder mensen, ook gebruiken om hun lichaamstemperatuur te reguleren. Wanneer je zweet, verdampt het water op je huid en koelt de huid af.

Hetzelfde gebeurt bij het printen met water in een vacuümkamer onder heel lage druk: zelfs bij kamertemperatuur verdampt het water dan zeer snel. Elk watermolecuul dat verdampt, neemt een kleine hoeveelheid warmte mee, waardoor het resterende water steeds kouder wordt en uiteindelijk afkoelt tot onder nul graden Celsius. Op dat moment is het water nog vloeibaar, maar onderkoeld. Zodra de ultradunne straal (dunner dan een mensenhaar: 16 micrometer) de al gevormde ijslaag raakt, bevriest deze onmiddellijk.

Een profiel printen

Afgelopen december trok het werk van de natuurkundigen Menno Demmenie, Stefan Kooij en Daniel Bonn veel aandacht toen de onderzoekers een kerstboom 3D-printten. In het artikel dat deze week in de Proceedings of the National Academy of Sciences verscheen, laten ze zien dat de methode ook gebruikt kan worden om ijspilaartjes onder een hoek te printen, simpelweg door de snelheid van de 3D-printer te variëren. Hierdoor is het mogelijk om profielen van ijs te printen die bijna elke vorm kunnen hebben en sterk genoeg zijn om niet van onderaf ondersteund te hoeven worden – in tegenstelling tot gewoon 3D-printen. De video hieronder laat zien hoe het profiel van een menselijk gezicht, dat hoeken van slechts 14 graden met het oppervlak maakt, wordt geprint:

De methode is veelzijdig en erg schoon: wanneer je de vacuümpomp uitzet, smelt alles netjes terug tot schoon water. En de resultaten zijn niet alleen esthetisch mooi en een demonstratie van natuurkunde in actie; er zijn ook praktische toepassingen. De techniek opent deuren voor de biologie, waar structuren van zuiver ijd kunnen worden gebruikt als ondersteuning voor weefsel, en voor microfluidica, waar ingewikkelde kanalen kunnen worden gevormd door het ijs weg te smelten. In de toekomst zou de techniek zelfs op Mars kunnen worden gebruikt, waar het koud is en de atmosfeer ijl – perfecte omstandigheden om dezelfde techniek te gebruiken om structuren te bouwen met lokaal water.

Publicatie

Three-Dimensional Printing of Ice Structures via Evaporative Cooling in Vacuum, M. Demmenie, S. Kooij en D. Bonn. Proceedings of the National Academy of Sciences 123 (36) e2608173123 (2026).