По данным Корнелльского университета , исследователи разработали одноэтапный метод 3D-печати, позволяющий производить сверхпроводники с рекордными свойствами — почти через десять лет после того, как они впервые продемонстрировали, что мягкие материалы могут управлять процессом формирования сверхпроводников.

Достижение, подробно описанное в журнале Nature Communications , является результатом многолетней междисциплинарной работы под руководством Ульриха Визнера, профессора факультета материаловедения и инженерии имени Спенсера Т. Олина, и может усовершенствовать такие технологии, как сверхпроводящие магниты и квантовые устройства.

В 2016 году Визнер и его коллеги сообщили о первом самоорганизующемся сверхпроводнике с использованием блок-сополимеров – мягких цепочечных молекул, которые естественным образом выстраиваются в упорядоченные повторяющиеся наноструктуры. К 2021 году группа обнаружила, что такие подходы с использованием мягких материалов позволяют получать сверхпроводящие свойства, сопоставимые с теми, которые достигаются традиционными методами.

Новое исследование позволило добиться улучшенных свойств с помощью чернил из сополимера и неорганических наночастиц, которые самоорганизуются в процессе 3D-печати ; затем термообработка превращает напечатанный материал в пористый кристаллический сверхпроводник. Этот подход существенно отличается от традиционных методов 3D-печати пористых материалов , которые часто включают в себя отдельный синтез пористых материалов, их превращение в порошки, смешивание со связующими и последующую термообработку.

Масштабируемый «однореакторный» процесс Корнелла пропускает ряд этих этапов для создания сверхпроводящих материалов со структурой в трех различных масштабах: в атомном масштабе атомы выстраиваются в кристаллическую решетку; самосборка блок-сополимера направляет образование мезоструктурированных решеток; а 3D-печать приводит к макроскопическим решеткам, включая катушки или спирали для различных применений.

«Работа над этим велась долго», — сказал Визнер, который также является профессором кафедры технологий дизайна. «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».

Самый впечатляющий результат исследования был получен при печати материала на основе нитрида ниобия . Благодаря наноструктурированной пористости, напечатанный на 3D-принтере сверхпроводник продемонстрировал верхнее критическое магнитное поле 40–50 Тесла, что является самым высоким значением, индуцированным ограничением поля, когда-либо зарегистрированным для этого сверхпроводящего соединения. Это свойство имеет ключевое значение для работы сильных сверхпроводящих магнитов, таких как те, что используются в МРТ.

«Мы сопоставили это сверхпроводящее свойство с макромолекулярным параметром, который учитывается при синтезе материала. Никто ранее этого не демонстрировал», — сказал Визнер. «Эта карта показывает нам, какая молярная масса полимера необходима для достижения определённых характеристик сверхпроводника, что является впечатляющей корреляцией».

Работа стала возможной благодаря аспирантам Фэй Юй, разработавшему и протестировавшем печатные краски, и Пакстону Тетфорду, который разгадал химические принципы работы с необычно малыми блок-сополимерами. Значительный вклад внесли Брюс ван Довер, профессор кафедры материаловедения и инженерии имени Уолтера С. Карпентера-младшего, а также Сол Грюнер, почётный профессор, и Джулия Том-Леви, профессор и заведующая кафедрой физики Колледжа искусств и наук.

В перспективе исследователи надеются изучить альтернативные сверхпроводящие соединения. Исследование показало, что этот метод может быть применён к другим соединениям переходных металлов, таким как нитрид титана, а также к трёхмерным структурам, которые сложно получить традиционными методами. Кроме того, пористая архитектура обеспечивает рекордную площадь поверхности для сверхпроводящих соединений, что может оказаться ценным для разработки квантовых материалов следующего поколения.

«Я очень надеюсь, что, развивая новое направление исследований, мы упростим создание сверхпроводников с новыми свойствами », — сказал Визнер. «Корнеллский университет — уникальный университет, объединяющий химиков, физиков и материаловедов для развития этой области. Это исследование демонстрирует, насколько велик потенциал подходов к квантовым материалам, основанных на теории мягкой материи».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом и частично реализовано Центром материаловедения и инженерии Корнелльского университета, а также линией FMB на синхротронном источнике высоких энергий Корнелльского университета, спонсируемой Исследовательской лабораторией ВВС .

Источник