Ein Forschungsteam um Menno Demmenie, Stefan Kooij und Daniel Bonn vom Institut für Physik der Universität Amsterdam hat passend zur Jahreszeit ein außergewöhnliches Beispiel für die Möglichkeiten des 3D-Drucks präsentiert: einen komplett aus Eis gedruckten Weihnachtsbaum. Die Forscher verzichteten dabei auf herkömmliche Kühltechnik und setzten stattdessen nur Wasser und eine Vakuumpumpe ein.

Unterkühlte Flüssigkeit

In einer Vakuumkammer mit stark erniedrigtem Druck verdampft Wasser schon bei Raumtemperatur. Jedes Molekül, das entweicht, entzieht dem Wasser Energie und kühlt es weiter ab. So fällt die Temperatur unter den Gefrierpunkt, während das Wasser zunächst flüssig bleibt. Wissenschaftler bezeichnen diesen Zustand als „unterkühlte Flüssigkeit“. Sobald diese Flüssigkeit die Möglichkeit zur Kristallisation bekommt, beispielsweise durch Kontakt mit einer gefrorenen Fläche, gefriert sie sofort. Dieser Effekt ist beispielsweise auch beim so genannten „Blitzeis“ zu beobachten, wenn unterkühlter Regen beim Kontakt mit festen Gegenständen unmittelbar zu Eis gefriert.

Das Forscherteam macht sich diesen Effekt zunutze, um über eine Spezialdüse im Vakuum einen hauchdünnen Strahl von etwa 16 Mikrometern Dicke auf eine bereits gefrorene Fläche aufzubringen. Die IOP-Forscher Menno Demmenie, Stefan Kooij und Daniel Bonn nahmen einen ROOK MK1 3D-Drucker und setzen das Gerät in eine transparente Acrylvakuumkammer.

Ästhetischer und didaktischer Wert

Den thermoplastischen Extruder ersetzten sie durch eine maßgefertigte Düsenhalterung, die von einer Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)-Pumpe angetrieben wird, um einen Wasserstrahl auszustoßen. Dieser zerfällt dann in einzelne Tröpfchen, die dann als unterkühlte Flüssigkeit auf dem Substrat einfrieren. Auf diese Weise baute das Team Schicht für Schicht eine dreidimensionale Eisstruktur auf. In 26 Minuten entstand so ein Weihnachtsbaum von acht Zentimetern Höhe aus purem Eis.

Neben dem ästhetischen Wert sieht Daniel Bonn vom Forschungsteam auch einen didaktischen Wert des Experiments: Phasenübergänge, Wärmeübertragung und der Einfluss des Umgebungsdrucks lassen sich in der transparenten Kammer direkt in Echtzeit beobachten. Das Verfahren funktioniert auch für andere Formen wie Kegel, Säulen, sogar schräge Strukturen ohne Stütze. Das Paper zum Projekt der Forschungsgruppe ist zusammen mit weiteren Informationen und Videos zum Verfahren auf den Webseiten der Universität von Amsterdam veröffentlicht.

(usz)