3D printanje rekordno poboljšava supravodiče

Gotovo desetljeće nakon što su prvi put pokazali da meki materijali mogu voditi stvaranje supravodiča, istraživači s američkog Sveučilišta Cornell postigli su metodu 3D ispisa koja proizvodi supravodiče s rekordnim svojstvima.

Napredak, detaljno opisan u časopisu Nature Communications, nadovezuje se na dugogodišnji interdisciplinarni rad koji je vodio Ulrich Wiesner, profesor na Odjelu za znanost i inženjerstvo materijala, a mogao bi poboljšati tehnologije poput supravodljivih magneta i kvantnih uređaja.

Wiesner i kolege su 2016. godine izvijestili o prvom samoorganiziranom supravodiču korištenjem blok kopolimera - mekih, lančastih molekula koje se prirodno slažu u uredne, ponavljajuće nanostrukture. Do 2021. godine, grupa je otkrila da ovi pristupi s mekim materijalima mogu proizvesti supravodljiva svojstva usporediva s konvencionalnim metodama.

Nova studija proizvodi poboljšana svojstva korištenjem kopolimerne tinte s anorganskim nanočesticama koja se sama sastavlja tijekom 3D ispisa, a toplinska obrada zatim pretvara otisnuti materijal u porozni kristalni supravodič.

Ovaj pristup predstavlja veliko odstupanje od tradicionalnih metoda 3D ispisa poroznih materijala, koje često uključuju odvojenu sintezu poroznih materijala, njihovo pretvaranje u prah, miješanje s vezivima, a zatim njihovu ponovnu obradu toplinskom obradom.

Cornellov skalabilni proces preskače brojne korake kako bi stvorio supravodljive materijale sa strukturom na tri različite skale. Na atomskoj skali atomi se poravnavaju u kristalnu rešetku, samosklapanje blok kopolimera usmjerava stvaranje mezostrukturnih rešetki, a 3D ispis dovodi do makroskopskih rešetki, uključujući zavojnice ili spirale za različite primjene.

„Ovo je dugo vremena u pripremi“, rekao je Wiesner, koji je ujedno i profesor na Odjelu za dizajnersku tehnologiju. „Ovaj rad pokazuje da ne samo da možemo ispisivati ​​ove složene oblike, već mezoskalno ograničenje daje materijalima svojstva koja prije jednostavno nisu bila moguća.“

Najupečatljiviji rezultat studije postignut je kada su istraživači ispisali materijal od niobija i nitrida. Zahvaljujući svojoj nanostrukturiranoj poroznosti, 3D ispisani supravodič pokazao je gornje kritično magnetsko polje od 40 do 50 Tesla, što je najviša vrijednost inducirana ograničenjem ikad zabilježena za ovaj složeni supravodič. To je svojstvo ključno za funkcioniranje u jakim supravodljivim magnetima, poput onih koji se koriste u MRI snimanju.

„Mapirali smo ovo supravodljivo svojstvo na parametar makromolekularnog dizajna koji ulazi u sintezu materijala. To je nešto što nitko prije nije pokazao“, rekao je Wiesner. „Karta nam govori koja je molarna masa polimera potrebna za postizanje specifičnih supravodičkih performansi, što je izvanredna korelacija.“

Gledajući u budućnost, istraživači se nadaju istražiti alternativne supravodljive spojeve. Studija je istaknula da se metoda može primijeniti na druge spojeve prijelaznih metala, poput titanijevog nitrida, i na 3D strukture koje je teško postići konvencionalnim procesima. Porozna arhitektura stvara rekordne površine za složene supravodiče, što bi se moglo pokazati vrijednim za dizajn kvantnih materijala sljedeće generacije.

„Jako se nadam da ćemo kao novi istraživački smjer učiniti sve lakšim stvaranje supravodiča s novim svojstvima“, rekao je Wiesner. „Cornell je jedinstven po tome što okuplja kemičare, fizičare i znanstvenike za materijale kako bi ovo područje unaprijedili. Ova studija pokazuje koliki potencijal postoji u pristupima kvantnim materijalima temeljenim na mekoj materiji.“