アムステルダム大学、真空蒸発冷却による氷の三次元積層造形に成功

アムステルダム大学物理学研究所の研究チームは、外部の冷却装置や極低温インフラストラクチャを一切用いず、真空環境下での自然な蒸発冷却現象を利用して、純粋な氷のみで複雑な立体構造を三次元（3D）積層造形する手法を確立した。このアプローチは、従来の氷の3Dプリント技術が液体窒素やヘリウムといった極低温設備に依存していた点を根本的に変えるものである。

本技術は、熱力学の基本原理、すなわち潜熱、蒸発冷却、および圧力依存の相転移を直接的に可視化するデモンストレーションとしての側面も持つ。研究者たちは、超低圧の真空環境下で水を約16マイクロメートルという人間の髪の毛に匹敵する太さのジェットとして押し出す。この際、水分子の急速な蒸発が潜熱を奪い、残りの水分子を0℃以下、すなわち過冷却液体の状態にまで冷却させる。この高い表面積対体積比が熱抽出効率を向上させている。

概念実証として、研究チームは高さ約8センチメートルのクリスマスツリーの氷の模型を約26分間で造形した。この過冷却された水流が既に形成された氷の層に接触すると、ほぼ瞬時に凍結し、安定した層状構造を構築する。この即時凍結により、他の手法で生じがちな構造のぼやけや水滴の飛散が回避される。このプロセスは、商業用の3Dプリンターを改造し、HPLCポンプで供給される微細ノズルを透明な真空チャンバー内に配置することで実現された。

この真空蒸発アプローチは、液体窒素やヘリウムを用いるシステムと比較して運用コストを大幅に低減できる。また、支持材料を必要とせず、オーバーハング構造や垂直な柱も安定して構築できることが実証されている。完成した構造物は、真空ポンプを停止し圧力を常圧に戻すことで、残留物なく清浄な水として制御された形で融解する。

研究者たちは、このシンプルかつ費用対効果の高い手法が、生物学分野における組織工学用スキャフォールドや、工学分野におけるマイクロ流体チャネルの作成に応用可能であると示唆している。さらに、火星の表面圧力（約6ミリバール）がこの低圧要件を満たすため、現地資源利用（ISRU）の観点から、宇宙探査における氷の積層造形の可能性も開かれている。この技術は、透明なチャンバーを通して相転移や熱伝達をリアルタイムで観察できるため、科学教育における教材としても高い価値を持つと指摘されている。

この成果は、Menno Demmenie氏、Stefan Kooij氏、Daniel Bonn氏によって執筆されたarXivのプレプリント論文に記録されている。