Nowa technologia druku nadprzewodników
Badacze opracowali jednoetapową metodę wytwarzania nadprzewodników, która wykorzystuje zjawisko samoorganizacji miękkiej materii. Technika bazuje na specjalnym atramencie zawierającym kopolimery blokowe i nanocząstki nieorganiczne. Po wydrukowaniu materiał samoczynnie organizuje swoją strukturę, a następna obróbka termiczna przekształca go w krystaliczny nadprzewodnik o porowatej budowie. Publikacja zamieszczona na łamach Nature Communications szczegółowo opisuje, jak zespół pod kierunkiem Ulricha Wiesnera pokonał dotychczasowe ograniczenia technologiczne.
To trwało długo… To, co pokazuje ten artykuł, to fakt, że nie tylko możemy drukować te złożone kształty, ale także to, że ograniczenie w skali mezo nadaje materiałom właściwości, które wcześniej były po prostu nieosiągalne — wyjaśnia Wiesner
Czytaj też: Echo Higgsa w nadprzewodnikach. Nowa nadzieja dla komputerów kwantowych
Nowa metoda umożliwia precyzyjne sterowanie budową materiału jednocześnie na trzech poziomach. Na poziomie atomowym atomy tworzą uporządkowaną sieć krystaliczną. W skali mezoskopowej samoorganizacja kopolimerów blokowych kieruje formowaniem się sieci mezostrukturalnych. Natomiast w skali makro druk 3D pozwala na nadawanie złożonych kształtów, takich jak cewki czy struktury helikalne. Ten skalowalny proces eliminuje wiele etapów pośrednich charakterystycznych dla tradycyjnych metod, gdzie konieczne było oddzielne syntetyzowanie materiałów porowatych, ich przekształcanie w proszki, mieszanie z lepiszczami i ponowne przetwarzanie.
Rekordowe wartości pola magnetycznego
Najbardziej imponujące wyniki osiągnięto z azotkiem niobu. Wytworzony nadprzewodnik wykazał górne krytyczne pole magnetyczne od 40 do 50 Tesli, co stanowi najwyższą wartość uzyskaną dzięki kontroli nanostruktury dla tego typu materiałów. Dla porównania, konwencjonalne nadprzewodniki z azotku niobu osiągają zwykle 10-20 Tesli. Po raz pierwszy udało się powiązać właściwości nadprzewodzące z konkretnym parametrem molekularnym: masą molową polimeru. Krótsze łańcuchy kopolimerów blokowych (około 5,8 kg/mol) dawały największe pole krytyczne bliskie 50 Tesli, podczas gdy większe cząsteczki (88,3 kg/mol) zapewniały wyniki podobne do materiałów masowych.
Czytaj też: Drukowanie metalu w kosmosie stało się faktem. ESA testuje przełomową technologię
Materiały osiągnęły także rekordowe powierzchnie właściwe – 298 m²/g dla struktur tlenkowych i 129 m²/g dla azotków, co stanowi najwyższe wartości dotąd odnotowane dla mezoporowatych nadprzewodników złożonych. Możliwości wykorzystania nowej metody wykraczają poza środowisko laboratoryjne. W medycynie może przyczynić się do rozwoju lepszych magnesów nadprzewodzących do rezonansu magnetycznego. Technologie kwantowe to kolejny obszar, na którym porowata architektura i rekordowe parametry mogą znaleźć zastosowanie.
Co dalej z drukiem nadprzewodników?
Metoda sprawdziła się również z innymi związkami metali przejściowych. Testy z azotkiem tytanu wykazały podobne efekty wzmocnienia pola krytycznego do 8,1 Tesli. Nic więc dziwnego, że Wiesner i jego współpracownicy wiążą sporo nadziei z ostatnimi postępami. Jak sugeruje badacz, powinno udać się nadawać kierunek tworzeniu nadprzewodników o nowych właściwościach, zdecydowanie ułatwiając cały proces. Nowa technologia wykorzystuje komercyjnie dostępne chemikalia i standardowy sprzęt do druku 3D, co może przyspieszyć jej wdrożenie do praktycznych zastosowań. Przed zespołem z Cornell jeszcze wiele wyzwań. Skalowanie procesu do produkcji przemysłowej, zapewnienie powtarzalności parametrów oraz obniżenie kosztów to tylko niektóre z nich. Mimo to, opracowana metoda otwiera nowe możliwości w dziedzinie zaawansowanych materiałów funkcjonalnych.