康奈爾大學(xué)一鍋法3D打印高性能氮化鈮超導(dǎo)體，創(chuàng)下50特斯拉臨界磁場(chǎng)新紀(jì)錄

2025年9月1日，南極熊獲悉，美國(guó)康奈爾大學(xué)宣稱，研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種一步法3D打印方法，可以生產(chǎn)出具有創(chuàng)紀(jì)錄特性的超導(dǎo)體。該研究由材料科學(xué)與工程系Spencer T. Olin教授Ulrich Wiesner領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年跨學(xué)科工作完成，這一進(jìn)展有望推動(dòng)超導(dǎo)磁體和量子器件等技術(shù)的改進(jìn)。

設(shè)計(jì)技術(shù)系教授威斯納說(shuō)道：“這項(xiàng)工作已經(jīng)醞釀了很長(zhǎng)時(shí)間。這篇論文表明，我們不僅可以打印這些復(fù)雜的形狀，而且中觀尺度的限制還能賦予材料以前根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特性。”

△相關(guān)研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，題目為“通過(guò)一步法3D打印制備分級(jí)有序多孔過(guò)渡金屬化合物”（傳送門(mén)）

一步法3D打印超導(dǎo)材料

距據(jù)康奈爾大學(xué)首次證實(shí)軟材料可引導(dǎo)超導(dǎo)體形成已近十年。2016年，Wiesner以及同事報(bào)道了首個(gè)利用嵌段共聚物（一種柔軟的鏈狀分子，可以自然排列成有序、重復(fù)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)）制備的自組裝超導(dǎo)體。到2021年，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些軟材料方法可以產(chǎn)生與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)性能。

△制備具有三種不同長(zhǎng)度尺度周期性結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物和氮化物的“一鍋法”示意圖

這項(xiàng)新研究利用一種在3D打印過(guò)程中自組裝的共聚物-無(wú)機(jī)納米顆粒墨水，增強(qiáng)了材料的性能；隨后，通過(guò)熱處理，打印材料轉(zhuǎn)化為多孔晶體超導(dǎo)體。這種方法與傳統(tǒng)的多孔材料3D打印方法截然不同，傳統(tǒng)的多孔材料3D打印方法通常需要單獨(dú)合成多孔材料，將它轉(zhuǎn)化為粉末，與粘合劑混合，然后通過(guò)熱處理進(jìn)行再加工。

康奈爾大學(xué)的可擴(kuò)展“一鍋法”工藝跳過(guò)了許多步驟，從而創(chuàng)建了具有三個(gè)不同尺度結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)材料：在原子尺度上，原子排列成晶格；嵌段共聚物自組裝指導(dǎo)介觀結(jié)構(gòu)晶格的形成；3D 打印可產(chǎn)生宏觀晶格，包括用于不同應(yīng)用的線圈或螺旋。

△源自BCP-鈮酸溶膠的3D打印結(jié)構(gòu)，具有周期性原子、中觀尺度和宏觀晶格

3D打印超導(dǎo)體創(chuàng)下50特斯拉臨界磁場(chǎng)新紀(jì)錄

這項(xiàng)研究最引人注目的成果來(lái)自于研究人員打印了一種氮化鈮材料。得益于納米結(jié)構(gòu)的孔隙率，這種3D打印超導(dǎo)體顯示出40至50特斯拉的上臨界磁場(chǎng)，這是迄今為止報(bào)道過(guò)的此類(lèi)復(fù)合超導(dǎo)體的最高約束誘導(dǎo)值。這一特性對(duì)于強(qiáng)超導(dǎo)磁體（例如用于MRI成像的磁體）的正常工作至關(guān)重要。

Wiesner說(shuō)道：“我們將這種超導(dǎo)特性映射到材料合成過(guò)程中所需的大分子設(shè)計(jì)參數(shù)上。這是以前從未有人展示過(guò)的。這張圖告訴我們，需要哪種聚合物的摩爾質(zhì)量才能達(dá)到特定的超導(dǎo)性能，這是一種顯著的相關(guān)性。”

這項(xiàng)工作由研究生Fei Yu（負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和測(cè)試印刷油墨）和Paxton Thetford（負(fù)責(zé)解決處理異常小嵌段共聚物的化學(xué)問(wèn)題）共同促成。此外，材料科學(xué)與工程系Walter S. Carpenter Jr.教授Bruce van Dover、文理學(xué)院物理系名譽(yù)教授Sol Gruner和教授兼系主任Julia Thom-Levy也做出了重要貢獻(xiàn)。

△3D打印BCP定向介孔超導(dǎo)體 (SC) 特性

Wiesner補(bǔ)充道：“我非常希望，作為一個(gè)全新的研究方向，我們能夠越來(lái)越輕松地創(chuàng)造具有新特性的超導(dǎo)體?？的螤柎髮W(xué)的獨(dú)特之處在于，它匯集了化學(xué)家、物理學(xué)家和材料科學(xué)家，共同推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。這項(xiàng)研究證明了軟物質(zhì)方法在量子材料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。”

展望未來(lái)，研究人員希望探索替代性的超導(dǎo)化合物。研究強(qiáng)調(diào)，該方法可應(yīng)用于其它過(guò)渡金屬化合物，例如氮化鈦，以及傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)為化合物超導(dǎo)體創(chuàng)造了創(chuàng)紀(jì)錄的表面積，這可能對(duì)設(shè)計(jì)下一代量子材料具有重要意義。

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持，部分得益于康奈爾大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心以及康奈爾高能同步加速器源的FMB光束線，由空軍研究實(shí)驗(yàn)室贊助。