Исследователи из Корнеллского университета разработали новаторский метод 3D-печати сверхпроводников, который позволил достичь рекордных показателей. Этот подход, сочетающий химию полимеров с аддитивным производством, открывает новые возможности для развития таких технологий, как МРТ и квантовые компьютеры.
Ключевым достижением является критическое магнитное поле, достигнутое нитридом ниобия, которое при использовании новой техники составляет от 40 до 50 Тесла. Это рекордный показатель для данного материала, что критически важно для его работы в условиях сверхсильных магнитных полей, используемых в передовом медицинском оборудовании.
Руководитель проекта Ульрих Визнер отметил прямую корреляцию между молярной массой используемых полимеров и конечными сверхпроводящими характеристиками — связь, которая ранее не была установлена. Этот прорыв является результатом почти десятилетних исследований. Команда Корнеллского университета впервые продемонстрировала в 2016 году, как блок-сополимеры могут самоорганизовываться в структуры, способствующие образованию сверхпроводников. К 2021 году было подтверждено, что эти методы на основе мягких материалов могут конкурировать с традиционными.
Текущий процесс представляет собой систему «одного горшка», которая обходит многочисленные этапы, типичные для традиционной 3D-печати пористых материалов. Новая техника организует сверхпроводящие материалы на трех уровнях: кристаллическая решетка на атомном уровне, мезоструктурные решетки, управляемые самосборкой сополимеров, и макроскопические решетки, непосредственно производимые 3D-печатью.
Процесс начинается с чернил, состоящих из сополимеров и наночастиц, которые самоорганизуются во время печати. Последующая термическая обработка преобразует материал в пористый кристаллический сверхпроводник с беспрецедентными свойствами. Полученная пористая архитектура обеспечивает рекордную внутреннюю площадь поверхности для композитных сверхпроводников, что идеально подходит для разработки новых квантовых материалов.
Исследователи активно тестируют другие соединения, такие как нитрид титана, стремясь к трехмерным структурам, достижение которых затруднено традиционными методами. Эта работа стала возможной благодаря междисциплинарной команде химиков, физиков и материаловедов, подчеркивая критическую роль междисциплинарного сотрудничества в расширении границ исследований. По словам Визнера, новая методология может проложить путь к поколению сверхпроводников с индивидуальными свойствами, производимых проще и масштабируемее, чем раньше.
Исследования команды Корнеллского университета демонстрируют потенциал 3D-печати для создания сверхпроводящих магнитов, которые могут улучшить качество изображений и сократить время сканирования в МРТ, делая эту технологию более доступной. Кроме того, достижения в области сверхпроводников имеют решающее значение для развития квантовых вычислений, где они используются для создания кубитов — основы квантовых компьютеров. Компании, такие как IBM и Google, активно инвестируют в эту технологию, стремясь приблизить квантовые вычисления к реальным приложениям.