Monde de la physique : la glace de l’imprimante 3D

Que ce soit dans le secteur privé ou dans l’industrie, une grande variété d’objets peuvent être produits avec des imprimantes 3D. Le plastique ou le métal est généralement utilisé. Mais il est déjà possible d’imprimer des structures à partir de glace. Des chercheurs rapportent désormais dans la revue « Proceedings of the National Academy of Sciences » quels mécanismes se cachent derrière cela et comment des structures de glace supplémentaires peuvent être imprimées.

De nombreuses imprimantes 3D appliquent le matériau sous forme d’encre en couches et utilisent un laser pour le fusionner avec la couche située en dessous. Mais le procédé a ses limites et ne convient pas à tous les matériaux, comme la glace. Pour imprimer de la glace, Akash Garg de l’université Carnegie Mellon de Pittsburgh et son équipe ont eu recours à un procédé différent qui s’était déjà révélé efficace lors d’expériences précédentes : dans un environnement froid à moins 40 degrés Celsius, l’eau goutte à goutte sur un environnement qui est tout aussi froide Surface où elle gèle goutte à goutte. Différents phénomènes se produisent simultanément et s’influencent mutuellement : des vibrations qui se produisent lorsque les gouttes tombent, aux changements de température et même au gel. Cela rend le processus d’impression 3D de glace compliqué, c’est pourquoi il a été largement mal compris jusqu’à présent. On ne savait pas non plus comment imprimer de manière contrôlée des structures lisses et des objets courbes.

Pour répondre à ces questions, Garg et son équipe ont d’abord développé des modèles informatiques. Ils ont utilisé cela pour étudier comment une goutte se déplace lorsqu’elle tombe sur la glace et comment la chaleur est distribuée dans la glace. Dans les simulations, ils indiquaient, entre autres, la température des gouttes avant leur chute et la rapidité avec laquelle elles coulaient sur la surface, c’est-à-dire à quelle fréquence. Les chercheurs ont également collecté des données expérimentales qu’ils ont comparées à leurs modèles.

Tout est question de bonne fréquence

Il s’est avéré que les structures de glace lisses ne peuvent être imprimées que si des gouttes d’eau tombent les unes après les autres à certains intervalles. Si les intervalles de temps ne sont pas choisis correctement, les gouttes gèleront complètement au point de contact et conserveront leur forme de goutte – il en résultera une sorte de collier de perles. Si l’intervalle de temps est réglé de manière idéale, la goutte reste initialement liquide. L’eau peut désormais se répandre sur le dessus et transporter la chaleur uniformément vers le bas avant qu’elle ne gèle. Le résultat est une colonne uniformément lisse.

S’appuyant sur ces connaissances, les scientifiques ont réussi à modifier l’épaisseur des colonnes de glace lors d’expériences ultérieures. Pour ce faire, ils ont fait varier au minimum le temps entre les chutes des gouttes. Ils produisirent également des structures courbes. Pour ce faire, ils ont permis aux gouttes d’apparaître à un endroit différent sans modifier l’angle selon lequel l’eau coulait.

Les résultats aident non seulement à imprimer de la glace, mais également d’autres matériaux, selon les chercheurs. En outre, leur technique convient également aux objets tridimensionnels plus complexes dans lesquels les structures de glace rentables et biologiquement compatibles créent des cavités lors de leur dégel. Cela signifie que cette approche pourrait également être utilisée dans la technologie médicale.