Одноэтапный процесс 3D-печати позволяет создавать сверхпроводники с рекордной напряженностью 40–50 Тесла.
Чернила из сополимера и наночастиц самоорганизуются в процессе 3D-печати.
Корнелльский университет
Исследователи Корнелла разработали одноэтапный метод 3D-печати для производства сверхпроводников с беспрецедентными характеристиками. Этот метод упрощает производство и может улучшить технологии от магнитов для МРТ до квантовых устройств.
Этот прогресс стал результатом почти десятилетних исследований под руководством Ульриха Визнера, профессора кафедры материаловедения и инженерии имени Спенсера Т. Олина на кафедре материаловедения и инженерии Корнеллского университета.
В 2016 году его команда впервые продемонстрировала, что мягкие материалы могут способствовать формированию сверхпроводников. К 2021 году их характеристики сравнялись с показателями традиционных методов.
Новое исследование выходит за рамки этого важного этапа. В нём используются чернила из сополимеров и неорганических наночастиц, которые самоорганизуются в процессе 3D-печати.
Затем термообработка превращает напечатанные структуры в пористые кристаллические сверхпроводники.
Этот «однореакторный» процесс обходит многие этапы, обычные для традиционных методов, которые часто требуют отдельного синтеза, порошков, связующих веществ и нескольких циклов нагревания.
Метод Корнелла позволяет создавать сверхпроводники, структурированные в трех масштабах: атомы в кристаллических решетках, мезоструктуры из сборных блок-сополимеров и макроскопические формы, напечатанные на 3D-принтере, такие как катушки и спирали.
«Работа над этим велась долго», — сказал Визнер, который также преподаёт на кафедре технологий дизайна Корнеллского университета. «Эта работа показывает, что мы не только можем печатать такие сложные формы, но и что мезомасштабное ограничение придаёт материалам свойства, которые раньше были просто недостижимы».
Рекордная производительность
Выдающийся результат был получен при печати нитрида ниобия. Наноструктурированная пористость увеличила его верхнее критическое магнитное поле до 40–50 Тл, что является самым высоким значением, полученным в результате ограничения поля для этого соединения.
Это свойство имеет решающее значение для сверхпроводящих магнитов в медицинской визуализации и других приложениях.
«Мы сопоставили это сверхпроводящее свойство с макромолекулярным параметром, который учитывается при синтезе материала», — сказал Визнер. «Эта карта показывает, какая молярная масса полимера необходима для достижения определённых характеристик сверхпроводника, что является впечатляющей корреляцией».
Центральную роль сыграли аспиранты. Фэй Юй разработал и протестировал чернила, а Пакстон Тетфорд решил химические задачи, связанные с необычайно малыми блок-сополимерами.
Профессора Брюс ван Довер, Сол Грюнер и Джулия Том-Леви также внесли свой вклад в области материаловедения и физики.
Будущие направления в области квантовых материалов
Группа планирует распространить этот подход на другие сверхпроводящие соединения, включая нитрид титана. Они также хотят исследовать сложные трёхмерные геометрии, которые трудно получить традиционными методами.
Пористая архитектура обеспечивает рекордную площадь поверхности для сверхпроводящих соединений. Эта особенность может оказаться ценной для исследований квантовых материалов и создания устройств нового поколения.
«Я очень надеюсь, что, развивая новое направление исследований, мы упростим создание сверхпроводников с новыми свойствами», — сказал Визнер. Он высоко оценил дружественную атмосферу Корнелла, объединяющую химиков, физиков и материаловедов. «Это исследование демонстрирует, насколько велик потенциал подходов к квантовым материалам, основанных на теории мягкой материи».
Исследование поддержал Национальный научный фонд совместно с Центром материаловедения и инженерии Корнеллского университета.
Дополнительные работы проводились на источнике синхротронного излучения высокой энергии в Корнелле при поддержке Исследовательской лаборатории ВВС.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
