3D打印超導(dǎo)體磁場(chǎng)強(qiáng)度創(chuàng)紀(jì)錄

據(jù)新一期《自然·通訊》雜志報(bào)道，美國(guó)康奈爾大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一種“一步式”3D打印方法，制造出性能創(chuàng)紀(jì)錄的超導(dǎo)體。其中，打印的氮化鈮超導(dǎo)體在納米多孔結(jié)構(gòu)的作用下，其上臨界磁場(chǎng)提升至40—50特斯拉，創(chuàng)造了該化合物迄今最高紀(jì)錄。這一突破簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)復(fù)雜工藝，有望推動(dòng)從醫(yī)學(xué)成像磁體到量子器件等多領(lǐng)域的發(fā)展。

早在2016年，該團(tuán)隊(duì)首次利用嵌段共聚物實(shí)現(xiàn)了自組裝超導(dǎo)體。這類(lèi)柔性鏈狀分子能夠自發(fā)排列成有序、重復(fù)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。到2021年，該團(tuán)隊(duì)已證明軟材料方法能制備出性能與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)體。

此次新方法則邁出更大一步。團(tuán)隊(duì)采用由嵌段共聚物和無(wú)機(jī)納米顆粒組成的“墨水”，在3D打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自組裝，隨后通過(guò)熱處理轉(zhuǎn)化為多孔晶體超導(dǎo)體。這種“一步式”工藝省去了傳統(tǒng)方法中的多重合成、粉末制備、添加黏結(jié)劑和多輪加熱等步驟，極大提高了效率。

通過(guò)該工藝，團(tuán)隊(duì)可直接制備具有三重結(jié)構(gòu)層次的超導(dǎo)材料。在原子尺度，原子排列成晶格；在介觀尺度，嵌段共聚物的自組裝形成有序結(jié)構(gòu)；在宏觀尺度，3D打印可形成諸如線圈、螺旋等復(fù)雜形態(tài)，滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求。

本次研究最引人注目的成果來(lái)自對(duì)氮化鈮超導(dǎo)體的打印實(shí)驗(yàn)。由于納米結(jié)構(gòu)的多孔性，這種3D打印超導(dǎo)體的上臨界磁場(chǎng)達(dá)到了40—50特斯拉，創(chuàng)造了該類(lèi)化合物超導(dǎo)體的最高“約束效應(yīng)誘導(dǎo)值”。這一特性對(duì)于強(qiáng)超導(dǎo)磁體，如磁共振成像設(shè)備至關(guān)重要。他們還發(fā)現(xiàn)，材料的超導(dǎo)特性可與聚合物分子量等設(shè)計(jì)參數(shù)直接關(guān)聯(lián)，從而為性能預(yù)測(cè)提供了新工具。

團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該方法拓展至氮化鈦等其他超導(dǎo)材料，并探索傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜3D幾何結(jié)構(gòu)。多孔架構(gòu)帶來(lái)的創(chuàng)紀(jì)錄比表面積，也為研究量子材料和開(kāi)發(fā)下一代器件打開(kāi)了新思路。