Printen met ijs biedt allerlei toepassingen

Water als inkt, vacuüm als vriezer. Met die combinatie hebben onderzoekers van de UvA uiterst fijne 3D-structuren van ijs weten te printen. Door tijdens het printen de snelheid te variëren, kunnen ze het ijs bovendien schuin laten groeien, waardoor complexe vormen zonder ondersteuningsmateriaal mogelijk worden.

De techniek van Menno Demmenie, Stefan Kooij en Daniel Bonn trok eind vorig jaar al aandacht toen het team een miniatuurkerstboom van ijs printte. De methode maakt gebruik van verdampingskoeling, waarbij het printproces plaatsheeft in een vacuümkamer met een zeer lage druk. Daardoor verdampt water snel, zelfs bij kamertemperatuur. De verdampende watermoleculen voeren warmte af, waardoor het resterende water steeds verder afkoelt.

Uiteindelijk daalt de temperatuur tot onder het vriespunt, terwijl het water nog vloeibaar blijft. Dit onderkoelde water wordt vervolgens door een spuitmond naar buiten gebracht in een straal van slechts 16 micrometer dik, dunner dan een mensenhaar. Zodra de straal het reeds gevormde ijs raakt, bevriest het water vrijwel onmiddellijk.

Zelfstandige structuren in een hoek

Een belangrijke stap is dat de onderzoekers de richting waarin het ijs groeit kunnen beïnvloeden met de snelheid van de printer. Daardoor kunnen ijspilaartjes onder een hoek worden opgebouwd. In experimenten maakten ze onder meer het profiel van een menselijk gezicht, waarbij delen van de constructie een hoek van slechts 14 graden met het oppervlak maakten.

Ondanks die geringe hoek blijven de ijsstructuren zelfstandig staan. Extra ondersteuning is daardoor niet nodig. Dat maakt geometrieën mogelijk die met conventionele laag-voor-laagtechnieken lastig te produceren zijn. Geprinte ijsstructuren zouden als tijdelijke ondersteuning kunnen dienen bij het maken van weefselstructuren. Ook voor microfluidica is de techniek interessant: ijs kan worden gebruikt als tijdelijke mal voor ingewikkelde kanaaltjes en daarna simpelweg worden weggesmolten. Het proces laat daarbij alleen water achter.

Op langere termijn noemen de onderzoekers zelfs buitenaardse toepassingen. De lage temperaturen en ijle atmosfeer van Mars zijn gunstig voor verdampingskoeling. In theorie zou lokaal aanwezig waterijs daardoor als bouwmateriaal kunnen dienen.