ابررسانای چاپ سه‌بعدی با قدرت بی‌سابقه ۵۰ تسلا رکورد شکست
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه کرنل یک روش چاپ سه‌بعدی تک‌مرحله‌ای برای تولید ابررسانا‌ها با عملکرد بی‌سابقه توسعه داده‌اند. این تکنیک، ساخت را ساده می‌کند و می‌تواند فناوری‌ها را از آهنربا‌های MRI گرفته تا دستگاه‌های کوانتومی ارتقا دهد.
این پیشرفت بر اساس تقریباً یک دهه تحقیق به رهبری اولریش ویزنر، استاد اسپنسر تی. اولین در دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل، حاصل شده است.
تیم او برای اولین بار در سال ۲۰۱۶ نشان داد که مواد نرم می‌توانند شکل‌گیری ابررسانا‌ها را هدایت کنند. تا سال ۲۰۲۱، آنها از نظر عملکرد با روش‌های مرسوم مطابقت داشتند.
این مطالعه جدید از این نقطه عطف فراتر می‌رود. این مطالعه از جوهری ساخته شده از کوپلیمر‌ها و نانوذرات معدنی استفاده می‌کند که در طول چاپ سه‌بعدی خودآرایی می‌کنند.
سپس عملیات حرارتی، ساختار‌های چاپ شده را به ابررسانا‌های کریستالی متخلخل تبدیل می‌کند.
این فرآیند «تک مرحله‌ای» بسیاری از مراحل رایج در روش‌های سنتی را که اغلب به سنتز جداگانه، پودرها، چسب‌ها و چندین مرحله گرمایش نیاز دارند، کنار می‌گذارد.
روش دانشگاه کرنل، ابررسانا‌هایی را ایجاد می‌کند که در سه مقیاس ساختار یافته‌اند: اتم‌ها در شبکه‌های بلوری، مزوساختار‌ها از مونتاژ کوپلیمر بلوکی و اشکال چاپ سه‌بعدی ماکروسکوپی مانند کویل‌ها و مارپیچ‌ها.
ویزنر، که در دانشکده طراحی فناوری دانشگاه کرنل نیز تدریس می‌کند، گفت: «این موضوع مدت زیادی در دست بررسی بوده است. چیزی که این مقاله نشان می‌دهد این است که ما نه تنها می‌توانیم این اشکال پیچیده را چاپ کنیم، بلکه محدودیت میان‌مقیاس به مواد خواصی می‌دهد که قبلاً به سادگی قابل دستیابی نبودند.»
عملکرد رکوردشکن
نتیجه برجسته از چاپ نیترید نیوبیوم حاصل شد. تخلخل نانوساختار، میدان مغناطیسی بحرانی بالایی آن را به ۴۰ تا ۵۰ تسلا افزایش داد که بالاترین مقدار القا شده توسط محصورسازی برای این ترکیب است.
این ویژگی برای آهنربا‌های ابررسانا در تصویربرداری پزشکی و سایر کاربرد‌ها حیاتی است.
ویزنر گفت: «ما این خاصیت ابررسانایی را بر روی یک پارامتر طراحی ماکرومولکولی که در سنتز ماده نقش دارد، ترسیم کرده‌ایم. این نقشه به ما می‌گوید که برای دستیابی به یک عملکرد ابررسانایی خاص، به کدام جرم مولی پلیمر نیاز است، که یک همبستگی قابل توجه است.»
دانشجویان تحصیلات تکمیلی نقش‌های اصلی را ایفا کردند. فی یو جوهر‌ها را توسعه داده و آزمایش کرد، در حالی که پکستون تتفورد چالش‌های شیمی کوپلیمر‌های بلوکی غیرمعمول کوچک را حل کرد.
پروفسور بروس ون دوور، سول گرونر و جولیا تام-لوی نیز از علوم مواد و فیزیک در این تحقیق مشارکت داشتند.
جهت‌گیری‌های آینده در مواد کوانتومی
این تیم قصد دارد این رویکرد را به سایر ترکیبات ابررسانا، از جمله نیترید تیتانیوم، گسترش دهد. آنها همچنین می‌خواهند هندسه‌های سه‌بعدی پیچیده‌ای را که دستیابی به آنها با روش‌های مرسوم دشوار است، بررسی کنند.
این معماری متخلخل، مساحت سطح بی‌نظیری را برای ابررسانا‌های مرکب ارائه می‌دهد. این ویژگی می‌تواند برای تحقیقات مواد کوانتومی و دستگاه‌های نسل بعدی ارزشمند باشد.
ویزنر گفت: «من بسیار امیدوارم که به عنوان یک مسیر تحقیقاتی جدید، ایجاد ابررسانا‌هایی با خواص جدید را آسان‌تر و آسان‌تر کنیم.» او از محیط مشارکتی دانشگاه کرنل که شیمی‌دانان، فیزیکدانان و دانشمندان مواد را گرد هم می‌آورد، قدردانی کرد. «این مطالعه نشان می‌دهد که رویکرد‌های ماده نرم به مواد کوانتومی چقدر پتانسیل دارند.»
بنیاد ملی علوم به همراه مرکز تحقیقات علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل از این تحقیق حمایت کردند.
کار‌های بیشتری در منبع سینکروترون انرژی بالای کرنل با پشتیبانی آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی انجام شد.
این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.