We lezen in de Volkskrant van 18 december 2025:
“Drie natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam hebben uit ijs een kerstboompje ge-3D-print. De wetenschappers maakten gebruik van 'verdampingskoeling': bij lage druk verdampt water razendsnel, ook op kamertemperatuur. Dat je met ijs kunt printen, ontdekten hoogleraar Daniel Bonn en zijn collega's bij toeval. Voor een onderzoek naar hoe waterdruppeltjes zich gedragen zonder luchtweerstand, sproeiden zij water in een vacuüm. De druppeltjes bevroren op de bodem van de proefopstelling en vormden ijspilaartjes”
Om een vloeistof te laten verdampen is warmte nodig. Die warmte kan uit de omgeving komen, maar ook uit de vloeistof zelf.
a) Leg in natuurkundige termen uit wat er wordt bedoeld met ‘verdampingskoeling’. Gebruik de begrippen lage druk, verdampen, afkoelen.
Bij lage druk verdampen de waterdruppels van het waterstraaltje razendsnel. Voor het verdampen is warmte nodig. Net zoals verdampend zweet warmte onttrekt aan het lichaam, nemen verdampende watermoleculen uit het waterstraaltje, warmte mee. Daardoor koelt het waterstraaltje af tot zelfs onder het vriespunt. Het blijft nog wel vloeistof, maar is ‘onderkoeld’. Zodra het in aanraking komt met het ijs van de kerstboom, bevriest (stolt) het tot ijs.
b) Wat zal er gebeuren met het kerstboompje als de vacuümpomp wordt uitgezet en de druk weer gelijk wordt aan de druk van de buitenlucht?
Het boompje zal smelten, want bij de druk van de buitenlucht en bij kamertemperatuur is water vloeibaar.
We lezen verder in de krant:
“De wetenschappers kochten een 3D-printer en vervingen de kop met hun sproeikop. Die produceert een waterstraaltje van 16 micrometer, zo dun als een mensenhaar. Op deze manier ontstaat er een serie waterdruppeltjes die verdampen. De gehele constructie plaatsten zij in een vacuümkamer (…) Je kunt de techniek toepassen in medisch onderzoek. 'Menselijk weefsel voor onderzoek wordt vaak gekweekt op een mal. Als je zo'n mal van ijs maakt, kun je die wegsmelten zonder dat er onzuiverheden achterblijven.'”
Stel dat de onderzoekers het ijskerstboompje na het printen in de vacuümkamer laten staan. Na verloop van tijd merken ze dat het boompje steeds kleiner wordt en uiteindelijk volledig verdwijnt, zonder dat er ooit een druppel vloeibaar water zichtbaar is geweest
c) Leg uit hoe het boompje kan verdwijnen terwijl de temperatuur onder het vriespunt blijft.
De rechtstreekse overgang van vast (ijs) naar damp (= sublimatie) vindt bij lage druk makkelijk plaats.
d) Welke voorwaarden zou je aan het weefsel stellen bij de genoemde toepassing van het kweken van weefsel op een mal?
Het weefsel moet niet oplossen in water en het moet bestand zijn tegen temperaturen onder 0 0C en tegen de druk van het ijs.
e) Leg uit waarom de onderzoekers een kerstboom hebben gekozen om de precisie van hun vacuüm-printtechniek aan te tonen, terwijl het uiteindelijke nut in de medische wereld ligt.
De complexe vorm van een kerstboom dient als bewijs dat de techniek nauwkeurig genoeg is om de ingewikkelde 3D-structuren te printen die nodig zijn voor medische mallen.
