3D打印超導體磁場強度創紀錄

科技日報記者 張佳欣

據新一期《自然·通訊》雜誌報道，美國康奈爾大學研究人員開發出一種“一步式”3D打印方法，製造出性能創紀錄的超導體。其中，打印的氮化鈮超導體在納米多孔結構的作用下，其上臨界磁場提升至40—50特斯拉，創造了該化合物迄今最高紀錄。這一突破簡化了傳統複雜工藝，有望推動從醫學成像磁體到量子器件等多領域的發展。

早在2016年，該團隊首次利用嵌段共聚物實現了自組裝超導體。這類柔性鏈狀分子能夠自發排列成有序、重複的納米級結構。到2021年，該團隊已證明軟材料方法能製備出性能與傳統方法相當的超導體。

此次新方法則邁出更大一步。團隊採用由嵌段共聚物和無機納米顆粒組成的“墨水”，在3D打印過程中實現自組裝，隨後通過熱處理轉化為多孔晶體超導體。這種“一步式”工藝省去了傳統方法中的多重合成、粉末製備、添加黏結劑和多輪加熱等步驟，極大提高了效率。

通過該工藝，團隊可直接製備具有三重結構層次的超導材料。在原子尺度，原子排列成晶格；在介觀尺度，嵌段共聚物的自組裝形成有序結構；在宏觀尺度，3D打印可形成諸如線圈、螺旋等複雜形態，滿足不同應用需求。

本次研究最引人注目的成果來自對氮化鈮超導體的打印實驗。由於納米結構的多孔性，這種3D打印超導體的上臨界磁場達到了40—50特斯拉，創造了該類化合物超導體的最高“約束效應誘導值”。這一特性對於強超導磁體，如磁共振成像設備至關重要。他們還發現，材料的超導特性可與聚合物分子量等設計參數直接關聯，從而為性能預測提供了新工具。

團隊計劃將該方法拓展至氮化鈦等其他超導材料，並探索傳統方法難以實現的複雜3D幾何結構。多孔架構帶來的創紀錄比表面積，也為研究量子材料和開發下一代器件打開了新思路。