Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell đã đạt được một bước đột phá trong sản xuất vật liệu siêu dẫn bằng cách phát triển một phương pháp in 3D tích hợp vật liệu mềm và công nghệ tiên tiến. Kỹ thuật này, kết hợp hóa học polymer với sản xuất bồi đắp, mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng trong công nghệ MRI và máy tính lượng tử.
Thành tựu nổi bật nhất của nghiên cứu là việc vật liệu niobium nitride (NbN) đạt được từ trường tới hạn kỷ lục trong khoảng 40-50 Tesla. Mức từ trường cao này rất quan trọng cho khả năng hoạt động của vật liệu trong môi trường từ trường cực mạnh, cần thiết cho các thiết bị y tế và công nghệ tiên tiến.
Giáo sư Ulrich Wiesner, người đứng đầu dự án, đã nhấn mạnh mối liên hệ trực tiếp giữa khối lượng mol của polymer được sử dụng và hiệu suất siêu dẫn cuối cùng, một khám phá chưa từng được thiết lập trước đây. Nghiên cứu này là kết quả của gần một thập kỷ làm việc, bắt đầu từ năm 2016 khi nhóm nghiên cứu Cornell lần đầu tiên chứng minh khả năng tự lắp ráp của các block copolymer để tạo cấu trúc có lợi cho vật liệu siêu dẫn.
Quy trình hiện tại đánh dấu một bước tiến vượt bậc về chất lượng với hệ thống "một nồi", giúp loại bỏ nhiều bước phức tạp thường thấy trong in 3D vật liệu xốp truyền thống. Kỹ thuật mới này tổ chức vật liệu siêu dẫn ở ba cấp độ: mạng tinh thể nguyên tử, mạng cấu trúc trung gian được định hướng bởi sự tự lắp ráp của copolymer, và mạng vĩ mô được tạo ra trực tiếp bằng in 3D.
Quá trình bắt đầu với một loại mực chứa copolymer và hạt nano, tự lắp ráp trong quá trình in. Sau đó, xử lý nhiệt biến đổi vật liệu thành vật liệu siêu dẫn tinh thể xốp với các đặc tính chưa từng có. Kiến trúc xốp này mang lại diện tích bề mặt bên trong kỷ lục cho vật liệu siêu dẫn composite, lý tưởng cho việc phát triển các vật liệu lượng tử mới.
Các nhà nghiên cứu hiện đang thử nghiệm các hợp chất khác, như titanium nitride, với mục tiêu tạo ra các cấu trúc ba chiều mà các phương pháp thông thường khó đạt được. Nghiên cứu này là minh chứng cho sức mạnh của sự hợp tác liên ngành giữa các nhà hóa học, vật lý học và khoa học vật liệu.
Giáo sư Wiesner cho biết phương pháp mới này có thể mở đường cho một thế hệ vật liệu siêu dẫn với các đặc tính được tùy chỉnh, sản xuất đơn giản và có khả năng mở rộng hơn bao giờ hết. Lịch sử nghiên cứu siêu dẫn bắt đầu từ năm 1911 với khám phá của Heike Kamerlingh Onnes, và lĩnh vực này đã chứng kiến nhiều tiến bộ, bao gồm hiệu ứng Meissner và lý thuyết BCS, đặt nền móng cho các ứng dụng hiện đại như máy MRI và máy gia tốc hạt.