گسترش ابررسانای چاپ سه‌بعدی مورد منفعت گیری در آهنربا‌های MRI و دستگاه‌های کوانتومی_آینده

محققان دانشگاه کرنل یک روش چاپ سه‌بعدی تک‌مرحله‌ای برای تشکیل ابررسانا‌ها با کارکرد بی‌سابقه گسترش داده‌اند. این تکنیک، ساخت را ساده می‌کند و می‌تواند فناوری‌ها را از آهنربا‌های MRI گرفته تا دستگاه‌های کوانتومی ارتقا دهد.

این پیشرفت بر پایه 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 کارکرد با راه حلهای مرسوم مطابقت داشتند.

این مطالعه تازه از این نقطه عطف فراتر می‌رود. این مطالعه از جوهری ساخته شده از کوپلیمر‌ها و نانوذرات معدنی منفعت گیری 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» تعداد بسیاری از مرحله های رایج در راه حلهای سنتی را که زیاد تر به سنتز جداگانه، پودرها، چسب‌ها و چندین مرحله گرمایش نیاز دارند، کنار می‌گذارد.

روش دانشگاه کرنل، ابررسانا‌هایی را تشکیل می‌کند که در سه مقیاس ساختار یافته‌اند: اتم‌ها در شبکه‌های بلوری، مزوساختار‌ها از مونتاژ کوپلیمر بلوکی و اشکال چاپ سه‌بعدی ماکروسکوپی همانند کویل‌ها و مارپیچ‌ها.

ویزنر، که در دانشکده طراحی فناوری دانشگاه کرنل نیز تدریس می‌کند، او گفت: «این نوشته زمان بسیاری در دست بازدید بوده است. چیزی که این مقاله مشخص می کند این است که ما نه تنها می‌توانیم این اشکال پیچیده را چاپ کنیم، بلکه محدودیت بین‌مقیاس به مواد خواصی می‌دهد که قبلاً به سادگی قابل دستیابی نبودند.»

کارکرد 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 بیشترین مقدار القا شده توسط محصورسازی برای این ترکیب است.

این ویژگی برای آهنربا‌های ابررسانا در تصویربرداری پزشکی و دیگر کاربرد‌ها حیاتی است.

ویزنر او 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 کارکرد ابررسانایی خاص، به کدام جرم مولی پلیمر نیاز است، که یک همبستگی قابل دقت است.»

دانشجویان تحصیلات تکمیلی نقش‌های مهم را ایفا کردند. فی یو جوهر‌ها را گسترش 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 شراکت داشتند.

جهت‌گیری‌های آینده در مواد کوانتومی

این تیم تصمیم دارد این رویکرد را به دیگر ترکیبات ابررسانا، از جمله نیترید تیتانیوم، گسترش دهد. آنها این چنین می‌خواهند هندسه‌های سه‌بعدی پیچیده‌ای را که دستیابی به آنها با راه حلهای مرسوم دشوار است، بازدید کنند.

این معماری متخلخل، مساحت سطح بی‌نظیری را برای ابررسانا‌های مرکب اراعه می‌دهد. این ویژگی می‌تواند برای تحقیقات مواد کوانتومی و دستگاه‌های نسل بعدی مورد قیمت باشد.

ویزنر او گفت: «من زیاد امیدوارم که به گفتن یک مسیر تحقیقاتی تازه، تشکیل ابررسانا‌هایی با خواص تازه را آسان‌تر و آسان‌تر کنیم.» او از محیط مشارکتی دانشگاه کرنل که شیمی‌دانان، فیزیکدانان و دانشمندان مواد را گرد هم می‌آورد، سپاس کرد. «این مطالعه مشخص می کند که رویکرد‌های ماده نرم به مواد کوانتومی چه مقدار پتانسیل دارند.»

بنیاد ملی علوم به همراه مرکز تحقیقات علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل از این تحقیق حمایتکردند.

کار‌های بیشتری در منبع سینکروترون انرژی بالای کرنل با حمایتآزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی انجام شد.

این مطالعه در مجله Nature Communications انتشار شده است.