阿姆斯特丹物理学家利用真空蒸发冷却技术实现复杂纯冰结构三维打印

2025年12月，阿姆斯特丹大学物理研究所的科学家团队公布了一项水成型技术，该技术能够在真空环境下利用水的自然物理过程，直接构建复杂的纯冰三维模型，而无需依赖传统制冷设备或低温基底。这项进展的核心在于对水在超低压下蒸发潜热的利用，这是一种无需外部能源干预的自发冷却机制。

该研究的概念验证成果已在arXiv上以预印本形式公布，由Menno Demmenie、Stefan Kooij和Daniel Bonn共同撰写，标题为《冰圣诞树：通过真空中的蒸发冷却快速三维打印冰结构》。研究人员展示了在无支撑材料和无低温基础设施的情况下，实现高保真复杂几何形状打印的可能性，包括圆锥体、垂直柱和自由悬挂的之字形结构。作为演示，研究团队在约26分钟内成功打印出一个高8厘米的冰制圣诞树模型。

该技术的实施巧妙地结合了流体力学与热力学原理。研究人员在超低压的真空腔室内，以微米级的细流挤出水流，水分子因极速蒸发而带走大量热量，使剩余液体迅速进入低于0摄氏度的过冷液态。当这股过冷水流接触到基底或已形成的冰层时，会立即凝固成冰，从而实现稳定、逐层的结构堆叠。这种即时冻结的特性确保了打印结构的几何精度，有效避免了传统方法中常见的飞溅或结构模糊现象。

研究团队指出，该方法的简洁性和成本效益使其在多个前沿领域具有应用潜力。在生物医学工程方面，纯冰结构可作为组织工程的临时支架，或用于构建微流控通道，随后通过选择性融化来形成通道网络。此外，由于火星等地的低气压条件也满足该技术的打印要求，这为未来利用当地水资源进行现场冰结构打印提供了理论基础。

这项研究的灵感源于对流体在无干扰真空状态下行为的意外观察，揭示了潜热、蒸发冷却和压力依赖相变等基本热力学原理。与依赖光固化或微挤压的传统3D打印技术相比，真空冰打印避免了光照对细胞活性的潜在影响，也绕过了微挤压法中悬空结构易塌陷的问题。打印完成后，关闭真空泵，结构会以可控的方式融化回纯净的水，这在教育演示和临时应用中具有显著优势，其快速成型能力也体现了其在快速原型制作方面的效率。