Descoperirea echipei de la Cornell ar putea accelera progresele în tehnologia cuantică și imagistica medicală
o nouă metodă deOamenii de știință de la Universitatea Cornell au dezvăluit producere a supraconductorilor, folosind imprimarea 3D pentru a crea materiale cu proprietăți record. Progresul oferă o cale simplificată pentru realizarea de componente supraconductoare și ar putea accelera tehnologii variind de la imagistica medicală la dispozitive cuantice.
Lucrarea de cercetare, publicată în Nature Communications, a fost dezvoltată de o echipă interdisciplinară condusă de Ulrich Wiesner, profesor în Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor, și include un proces de fabricație all-in-one.
În loc să se bazeze pe mai mulți pași de preparare și reasamblare, metoda Cornell folosește o cerneală special formulată, care conține copolimeri și nanoparticule anorganice. Pe măsură ce cerneala este depusă printr-o imprimantă 3D, aceasta se auto-asamblează în mod natural. Tratamentele termice transformă apoi structurile imprimate în supraconductori cristalini poroși.
Rezultatul, spun cercetătorii, este o cale extrem de eficientă către arhitecturi complexe, care anterior necesitau mai multe runde de preparare a materialelor. Abordările tradiționale de fabricație implică adesea sintetizarea separată a materialelor poroase, măcinarea lor în pulberi, amestecarea lor cu agenți de legare și apoi reprocesarea lor prin încălzire. Procesul Cornell condensează toate acestea într-un singur pas.
„Acest lucru a fost în lucru de mult timp,” a spus Wiesner. „Ceea ce arată această lucrare este că nu numai că putem imprima aceste forme complexe, dar constrângerea la scară mezoscopică oferă materialelor proprietăți care pur și simplu nu erau realizabile înainte.”
În 2016, grupul Wiesner a demonstrat prima structură supraconductoare auto-asamblată folosind copolimeri bloc – lanțuri moleculare lungi care se aranjează în mod natural în modele nanometrice repetitive. Până în 2021, aceeași echipă a arătat că astfel de abordări ale materiei moi ar putea egala performanța materialelor supraconductoare convenționale.
Cel mai recent studiu depășește acești pași anteriori. Combinând auto-asamblarea copolimerilor bloc la scară nanometrică, ordonarea cristalină la nivel atomic și controlul geometric prin imprimare 3D la scară macroscopică, cercetătorii au creat supraconductori cu structuri ierarhice la trei game distincte de dimensiuni.
Cel mai izbitor rezultat a venit atunci când grupul a produs un supraconductor de nitrură de niobiu. Datorită arhitecturii sale poroase, nanostructurate, materialul a prezentat un câmp magnetic critic superior între 40 și 50 de Tesla – cea mai mare valoare indusă de constrângere raportată vreodată pentru acest compus. Această proprietate este esențială pentru utilizarea în medii cu câmpuri magnetice intense, cum ar fi magneții supraconductori utilizați în scanerele RMN.
Studenții absolvenți au jucat un rol central în proiect. Fei Yu a dezvoltat și testat cernelurile folosite pentru imprimarea 3D, în timp ce Paxton Thetford a rezolvat provocările chimice ale lucrului cu copolimeri bloc neobișnuit de scurți. Colaboratorii din facultate au inclus pe Bruce van Dover, profesor de Știința Materialelor; Sol Gruner, profesor emerit de fizică; și Julia Thom-Levy, profesor și șef al Departamentului de Fizică de la Cornell.
Un progres evidențiat în lucrare este capacitatea de a corela structura polimerului cu performanța supraconductoare. „Am mapat această proprietate supraconductoare pe un parametru de proiectare macromoleculară care intră în sinteza materialului,” a spus Wiesner. „Harta ne spune ce masă molară a polimerului este necesară pentru a atinge o anumită performanță a supraconductorului, o corelație remarcabilă.”
Cercetătorii spun că tehnica este larg aplicabilă. Ar putea fi adaptată la alți compuși de metale de tranziție, inclusiv nitrură de titan, și la geometrii greu de realizat prin mijloace convenționale. În plus, natura poroasă a materialului generează suprafețe neobișnuit de mari pentru supraconductorii compuși – un atribut care ar putea alimenta noi generații de materiale cuantice.
„Sunt foarte plin de speranță că, fiind o nouă direcție de cercetare, vom face din ce în ce mai ușor să creăm supraconductori cu proprietăți noi,” a spus Wiesner. „Cornell este unic în a aduce laolaltă chimiști, fizicieni și oameni de știință a materialelor pentru a împinge acest domeniu înainte.”
Studiul a primit sprijin de la Fundația Națională pentru Știință și de la Centrul de Cercetare în Știința și Ingineria Materialelor de la Universitatea Cornell. Resursele suplimentare au inclus linia de fascicul FMB de la Sursa de Sincrotron de Înaltă Energie Cornell, care este operată cu finanțare de la Laboratorul de Cercetare al Forțelor Aeriene.
