研究人員已開發(fā)出冰3D打印技術(shù),，可打印任意冰結(jié)構(gòu)，比如一只冰章魚

2022年8月21日,，南極熊獲悉,，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）的研究人員,，開發(fā)了一種3D打印微小藝術(shù)冰結(jié)構(gòu)的方法,。根據(jù)該大學(xué)官方網(wǎng)站上發(fā)表的一篇文章,，這種高速、可復(fù)制的制造方法,，未來將“徹底顛覆”3D打印技術(shù) ,。同時，該技術(shù)未來可廣泛用于先進(jìn)制造業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程,。

△使用3D打印技術(shù),，制造出復(fù)雜的冰結(jié)構(gòu)

該研究的共同作者、該大學(xué)機械工程博士學(xué)者Akash Garg說：“使用我們的冰3D打印工藝,，我們可以制造出具有平滑壁,，和平滑過渡分支結(jié)構(gòu)的微觀冰模板，該技術(shù)未來可以用于,，制造內(nèi)部具有明確空隙需求的微型零件。

技術(shù)背景
Garg和CMU化學(xué)工程博士后助理Saigopalakrishna Yerneni合作開展了這項研究,。
水被認(rèn)為是生物工程應(yīng)用的最佳選擇,，因為它是地球表面最豐富的物質(zhì),，也是所有生物體的主要構(gòu)成部分。由水成冰,，簡單而快速的相變過程,，使得它成為一種對環(huán)境非常友好的結(jié)構(gòu)材料。

Garg說：“沒有比水更具有生物相容性的天然材料了,�,！�

△自由形態(tài)的冰打印（3D-ICE）,。A) 定制的3D打印系統(tǒng)及其主要部件,，包括冷卻系統(tǒng)、運動臺,、壓電噴嘴,。B) 壓電噴墨噴嘴用于將水滴（直徑=50微米）噴射到保持在-35°C的冷構(gòu)建平臺上。構(gòu)建平臺的平面（X-Y）運動與水滴排放同步進(jìn)行,，以打印復(fù)雜的冰的幾何形狀

它是如何工作的,？
打印的冰結(jié)構(gòu)被用作 "反向成型 "或冰模板用作犧牲幾何形狀，冰結(jié)構(gòu)被浸泡在冷卻的結(jié)構(gòu)材料中,，如液體或凝膠形式的樹脂,。

在材料定型或固化后，水被移除,。為此,，冰可以被融化以排空水分。另外,，冰也可以通過將其轉(zhuǎn)化為水蒸氣而不是液態(tài)水來升華,。因為冰可以很容易地升華，所以在澆鑄和固化周圍的結(jié)構(gòu)材料后,，它可以很容易地被移除,。

一個高分辨率的3D打印系統(tǒng)，被用來將水滴沉積到一個零下35攝氏度的溫控平臺上,，從而迅速將水轉(zhuǎn)化為冰,。

新工藝通過調(diào)節(jié)水滴的噴射頻率并與平臺運動同步，可實現(xiàn)打印具有光滑表面和具有平滑過渡的分支幾何形狀,。

△如需獲得更多信息,，該研究已發(fā)表在《高級科學(xué)》上（點我傳送門）

驚人的成就
研究人員通過用冰打印一棵樹、一個繞桿的螺旋線,，甚至一個一米五高的章魚小雕像來證明這一點,。由于水的快速相變和冰的強度，因此,，3D打印可以實現(xiàn)任意的冰結(jié)構(gòu),，不需要耗時的逐層打印或支持結(jié)構(gòu),。

Garg解釋說，我們進(jìn)行了實驗,，以確定以可重復(fù)的方式制造具有直線,、傾斜、分支和分層幾何形狀的光滑冰結(jié)構(gòu)所需的打印路徑,、運動速度和液滴頻率,。
監(jiān)督這項研究CMU工程研究加速器的副主任Burak Ozdoganlar解釋： “這是一項令人驚奇的成就，將帶來令人興奮的科學(xué)進(jìn)步,�,！�

他接著說：“我們相信這種方法具有巨大的潛力，它可以徹底改變組織工程和其他領(lǐng)域,，這些領(lǐng)域需要具有復(fù)雜通道的微型結(jié)構(gòu),，如微流控和軟機器人�,！�

該團(tuán)隊宣稱,，在短短一年內(nèi)，冰3D工藝就可以用于工程應(yīng)用,，如為軟體機器人創(chuàng)造氣動通道,。然而，組織工程的臨床應(yīng)用將需要更長的時間,。未來,，這種新工藝方法，還可以為微流體,、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備,、柔性電子和藝術(shù)帶來新的機遇。