Ученые создали рекордные сверхпроводники с помощью 3D-печати
Исследователи Корнельского университета разработали революционный метод производства сверхпроводников с использованием 3D-печати, позволяющий создавать материалы с беспрецедентными характеристиками. Новая технология может ускорить развитие медицинской визуализации и квантовых устройств благодаря упрощенному процессу изготовления сверхпроводящих компонентов.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, проводила команда под руководством профессора кафедры материаловедения и инженерии Ульриха Виснера. Разработанный учеными процесс объединяет все этапы производства в единую технологическую операцию.
Вместо традиционного многоэтапного процесса подготовки и сборки новый метод использует специально разработанные чернила, содержащие сополимеры и неорганические наночастицы. При нанесении через 3D-принтер материал естественным образом самоорганизуется, а последующая термическая обработка превращает напечатанные структуры в пористые кристаллические сверхпроводники.
По словам исследователей, новый подход обеспечивает высокоэффективный путь к созданию сложных архитектур, для которых ранее требовалось несколько циклов подготовки материала. Традиционные методы изготовления включают отдельный синтез пористых материалов, их измельчение в порошки, смешивание со связующими веществами и последующую переработку нагреванием. Корнельский процесс сводит все эти операции к одному этапу.
Мы работали над этим долгое время. Данная работа показывает, что мы не только можем печатать сложные формы, но и мезомасштабное ограничение придает материалам свойства, которые ранее были просто недостижимы.
Исследование основывается на почти десятилетних достижениях в использовании мягких материалов для формирования сверхпроводников. В 2016 году группа Виснера продемонстрировала первую самоорганизующуюся сверхпроводящую структуру с использованием блок-сополимеров – длинных молекулярных цепей, которые естественным образом выстраиваются в повторяющиеся наномасштабные паттерны. К 2021 году та же команда показала, что подобные подходы с мягкими материалами могут соответствовать производительности обычных сверхпроводящих материалов.
Объединив самоорганизацию блок-сополимеров на наномасштабе, кристаллическое упорядочение на атомном уровне и геометрический контроль через 3D-печать на макромасштабе, исследователи создали сверхпроводники с иерархическими структурами в трех различных размерных диапазонах.
Наиболее впечатляющий результат команда получила при создании ниобий-нитридного сверхпроводника. Благодаря пористой наноструктурированной архитектуре материал продемонстрировал верхнее критическое магнитное поле между 40 и 50 Тесла – самое высокое значение, когда-либо зарегистрированное для этого соединения. Это свойство критически важно для использования в условиях интенсивных магнитных полей, например в сверхпроводящих магнитах МРТ-сканеров.
Одним из прорывов, описанных в работе, стала способность соотносить структуру полимера с сверхпроводящими характеристиками.
Мы связали это сверхпроводящее свойство с макромолекулярным параметром дизайна, который используется в синтезе материала. Карта показывает, какая молярная масса полимера нужна для достижения определенной производительности сверхпроводника – замечательная корреляция.
В Австралии напечатали двухэтажный дом всего за 18 часов
Напечатанный на 3D-принтере ракетный двигатель с аэроспайком прошел новые испытания
Исследователи отмечают широкую применимость разработанной техники. Метод может быть адаптирован для других соединений переходных металлов, включая нитрид титана, и для геометрий, которые трудно достичь обычными способами. Кроме того, пористая природа материала генерирует необычно высокие площади поверхности для композитных сверхпроводников – характеристика, которая может найти применение в новых поколениях квантовых материалов.
