Bagaimana Percetakan 3D Menciptakan Superkonduktor yang Dapat Merakit Sendiri

Para peneliti Cornell meluncurkan metode fabrikasi superkonduktor inovatif yang mengandalkan tinta cetak 3D khusus dan perakitan mandiri untuk menciptakan nanostruktur spesifik. Strategi ini memungkinkan para insinyur untuk menciptakan superkonduktor dengan sifat dan karakteristik spesifik dengan upaya yang lebih sedikit dan membutuhkan mesin yang lebih sedikit pula. Metode ini berpotensi merevolusi komputasi, ilmu kuantum, dan banyak lagi. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Nanostruktur Perakitan Mandiri (SA)

Perakitan mandiri (SA) mengacu pada fenomena alami di mana atom, molekul, atau partikel secara otomatis terorganisasi menjadi bentuk tertentu tanpa intervensi apa pun. Strategi ini menawarkan metode yang andal dan efektif bagi para insinyur untuk menciptakan struktur mikroskopis yang tahan lama tanpa memerlukan mesin khusus untuk menyelesaikan tugas tersebut.

Perakitan mandiri terjadi karena adanya gaya nonkovalen yang bekerja terkait faktor lingkungan. Blok-blok penyusun nanostruktur kecil ini akan secara otomatis membentuk struktur yang memberikan pemanfaatan energi optimal. Bentuk-bentuk kecil ini menawarkan skalabilitas tinggi, daya tahan, dan sifat-sifat ideal lainnya untuk tugas-tugas seperti pembuatan superkonduktor.

Perlu dicatat, proyek SA menjadi semakin populer dengan superkonduktor rakitan sendiri pertama terungkap pada tahun 2016. Menariknya, banyak insinyur yang sama mengerjakan proyek terbaru ini, menyoroti sifat jangka panjang dan pentingnya kontribusi mereka terhadap ilmu nanostruktur.

Masalah dengan Pendekatan SA

Terdapat beberapa kendala teknis dalam strategi SA yang harus diatasi oleh para insinyur jika mereka ingin memaksimalkan metode fabrikasi ini. Salah satunya, nanostruktur yang berbeda memerlukan kinetika pengurutan yang berbeda dari proses yang berbeda pada skala panjang yang berbeda.

Selain itu, para insinyur menemukan bahwa pencetakan 3D nanomaterial anorganik berpori kristal fungsional masih menjadi tantangan yang sulit. Strategi saat ini bergantung pada pendekatan multifaset yang mencakup sintesis material berpori secara terpisah.

Material-material tersebut pertama-tama diubah menjadi bubuk agar dapat dicampur dengan bahan pengikat. Setelah itu, campuran tersebut diproses ulang sebelum menuju tahap akhir, yaitu perlakuan panas. Prosedur ini memakan waktu, mahal, dan terbatas pada nanostruktur dan material yang dapat digunakan.

Mesostruktur turunan SA dari Block Copolymer (BCP)

Para insinyur telah berupaya keras mengembangkan nanostruktur terkuat dan paling efektif. Penggunaan mesostruktur turunan SA dari kopolimer blok (BCP) telah membuka peluang untuk lebih banyak aplikasi baru-baru ini. Desain mungil ini memberikan kekakuan dan kontrol struktural yang lebih baik. Lebih spesifiknya, nanostruktur BCP memungkinkan para insinyur untuk mengubah kisi mesoskala dan parameter kisi untuk menciptakan opsi yang lebih kuat dan berkinerja tinggi.

Senyawa logam transisi mesopori berbasis BCP SA yang tersusun secara hierarkis dipandang sebagai masa depan teknologi ini. Namun, hingga saat ini, belum ada studi yang menunjukkan cara mencetak nanostruktur BCP secara 3D secara efektif.

Studi Superkonduktor Cetak 3D Perakitan Mandiri

The Senyawa logam transisi berpori yang diurutkan secara hierarkis dari pendekatan pencetakan 3D tipe satu pot belajar¹ memperkenalkan metode fabrikasi baru untuk menciptakan nanostruktur SA canggih melalui pencetakan 3D. Studi ini mendalami pencetakan 3D senyawa logam transisi melalui kimia sol-gel yang merakit diri selama tahap pencetakan.

Sumber - Alam

Pemetaan

Salah satu langkah pertama yang diambil para insinyur adalah membuat peta komputer nanostruktur dan proses pembentukannya. Strategi ini memungkinkan mereka menentukan detail penting seperti massa molar polimer mana yang menawarkan kinerja superkonduktor tertinggi, dan masih banyak lagi.

Proses Penulisan Tinta Langsung

Para insinyur menemukan strategi unik yang mengandalkan “satu potPendekatan untuk pencetakan. Strategi ini menggunakan tinta khusus yang dibuat menggunakan kopolimer blok (BCP) dari keluarga Pluronics. Menariknya, BCP dikombinasikan dengan sol logam transisi yang dihidrolisis dari alkoksida logam dalam larutan etanol asam. Strategi ini memberikan efisiensi yang lebih baik dan biaya yang lebih rendah dibandingkan metode tradisional yang mengandalkan proses pembuatan serbuk.

Pencetakan

Sebuah nosel printer 3D khusus diciptakan untuk mendukung strategi tinta satu wadah. Perangkat ini menggunakan kepala cetak tipe pompa jarum suntik untuk mengalirkan material. Lebih tepatnya, kepala printer yang dirancang khusus ini mengekstruksi tinta ke dalam wadah berisi material lain berdasarkan jenis nanostruktur yang ingin diciptakan oleh para ilmuwan.

Secara khusus, cawan berisi heksana digunakan untuk membuat struktur tumpukan kayu kubik periodik. Selain itu, cairan seperti gel yang mengandung 25% massa Pluronic F127 dalam air digunakan sebagai alternatif lain. Zat ini dapat merakit diri menjadi struktur heliks periodik.

Pengolahan termal

Tahap akhir proses fabrikasi melibatkan pemrosesan termal. Ketika panas diterapkan pada cetakan, terjadi reaksi yang menghasilkan pembentukan oksida dan nitrida kristal yang tersusun secara hierarkis dan berpori. Material-material ini kemudian menyusun diri menjadi mesostruktur periodik yang ideal untuk digunakan sebagai superkonduktor kristal.

Kontrol Struktur

Para insinyur mencatat bahwa formasi material anorganik fungsional berpori yang dapat diskalakan memberi mereka kemampuan untuk mengidentifikasi sifat-sifat spesifik. Mereka mendokumentasikan tiga skala panjang spesifik, termasuk kisi atom gabungan, kisi mesoskala berbasis SA, dan kisi makroskopis yang diinduksi oleh pencetakan 3D.

Pendekatan ini melewati banyak langkah yang memakan waktu dan mahal dari metode sebelumnya, dan memungkinkan para insinyur untuk menentukan atribut struktural melalui kristalisasi oksida atau nitrida. Secara khusus, tim ini memanfaatkan perakitan mandiri kopolimer blok untuk menciptakan kisi-kisi mesostruktur, yang dapat mencakup kumparan atau heliks, sehingga ideal untuk berbagai skenario penggunaan.

Pengeringan dan Pengaturan

Setelah perlakuan, nanostruktur dipaparkan ke udara terbuka sebelum menjalani putaran pemanasan berikutnya dalam amonia dan gas karburasi. Tahap ini memanfaatkan suhu yang lebih tinggi, yaitu 950 °C, untuk mengubah oksida menjadi heliks nitrida logam transisi kristalin spesifik dan tumpukan kayu heksagonal yang mengandung kisi atom.

Uji Superkonduktor Cetak 3D Perakitan Mandiri

Untuk menguji formulasi tinta "satu wadah" dan teknik cetak mereka, tim merancang beberapa skenario uji, yang bertujuan untuk memantau dampak proses terhadap daya tahan dan waktu perakitan. Langkah pertama adalah membuat kisi-kisi tumpukan kayu hibrida yang berdiri sendiri.

Kisi-kisi tumpukan kayu berisi struktur heliks mesopori yang terdiri dari oksida dan nitrida. Detail kunci ini sangat penting mengingat sebelumnya hampir mustahil untuk mencetak konfigurasi non-self-supporting secara langsung. Untuk menyelesaikan tugas ini, para insinyur mengandalkan algoritma pemetaan mereka untuk menentukan karakteristik dan desain makromolekul yang optimal.

Hasil Uji Superkonduktor Cetak 3D Perakitan Mandiri

Uji cetak menghasilkan beberapa hasil yang mengesankan. Salah satunya, mereka menemukan bahwa pendekatan ini dapat mencetak bentuk kompleks dengan kinerja yang lebih tinggi daripada metode sebelumnya. Mereka mencatat bahwa sebagian besar daya tahan ini dapat dikaitkan dengan retensi mesostruktur yang terdapat pada material kristal akhir, yang mengandung kisi-kisi periodik.

Secara mengesankan, material superkonduktor baru ini mengungguli pendahulunya dengan medan magnet kritis atas 40 hingga 50 Tesla. Patut dicatat, ini merupakan rekor baru, melampaui upaya-upaya sebelumnya. Ilmuwan tersebut juga mencatat bahwa kisi-kisi cetak tersebut bersifat superkonduktor, dengan tingkat konduktivitas yang ditentukan oleh massa molar dan luas permukaan.

Manfaat Superkonduktor Cetak 3D yang Dapat Merakit Sendiri

Geser untuk menggulir →

Ada segudang manfaat yang ditawarkan studi superkonduktor cetak 3D rakitan mandiri ini. Salah satunya, studi ini menciptakan metode fabrikasi baru untuk menciptakan material superkonduktor yang menawarkan luas permukaan dan konduktivitas tertinggi. Penemuan ini akan membantu memperluas pemahaman ilmiah tentang bentuk nanostruktur dan aplikasinya.

Studi ini juga membuka peluang bagi strategi pencetakan 3D skala nano yang lebih kompleks. Studi ini akan mengarah pada pengembangan senyawa logam transisi mesopori yang canggih dan berkemampuan tinggi dengan sifat yang ditingkatkan. Oleh karena itu, manfaat jangka panjang dari studi ini masih belum terlihat.

Aplikasi Dunia Nyata dan Garis Waktu untuk Superkonduktor Cetak 3D yang Dapat Merakit Sendiri:

Superkonduktor cetak 3D yang dapat dirakit sendiri memiliki banyak aplikasi. Salah satunya, perangkat ini akan meningkatkan metode konversi energi ke tingkat yang baru. Luas permukaan tambahan yang dihasilkan dari struktur yang ringkas memastikan tercapainya konduktivitas maksimum untuk setiap aplikasi.

Studi ini dapat membantu meningkatkan teknologi penyimpanan energi. Superkonduktor ini menawarkan luas permukaan yang lebih besar, menjadikannya katalis yang ideal untuk penggunaan industri atau aplikasi lain yang membutuhkan konversi atau penyaluran energi. Dengan demikian, penelitian ini akan membantu mengembangkan teknologi baterai lebih lanjut.

mikroelektronika

Terdapat beberapa aplikasi untuk pekerjaan ini di bidang mikroelektronika. Perakitan mandiri memungkinkan para insinyur untuk membangun desain mikroskopis yang rumit untuk memungkinkan kemampuan canggih bahkan dari perangkat terkecil sekalipun. Di masa depan, mikroelektronika akan mengandalkan teknologi ini untuk memastikan operasi yang efisien dan meningkatkan kinerja.

Garis Waktu Superkonduktor Cetak 3D yang Dapat Merakit Sendiri

Teknologi ini akan tersedia untuk umum dalam waktu sekitar 7-10 tahun. Masih banyak penelitian yang diperlukan untuk memastikan skalabilitas dan kinerja superkonduktor baru ini dalam penggunaan jangka panjang. Oleh karena itu, penelitian diperkirakan akan memakan waktu setidaknya beberapa tahun lagi sebelum strategi produksi apa pun diterapkan.

Peneliti Superkonduktor Cetak 3D yang Merakit Sendiri

Universitas Cornell menyelenggarakan studi superkonduktor cetak 3D rakitan mandiri. Fei Yu, R. Paxton Thedford, Thomas A. Tartaglia, Sejal S. Sheth, Guillaume Freychet, William RT Tait, Peter A. Beaucage, William L. Moore, Yuanzhi Li, Jörg G. Werner, Julia Thom-Levy, Sol M. Gruner, R. Bruce van Dover, dan Ulrich B. Wiesner turut berkontribusi dalam penelitian ini.

Kelompok ini menerima pendanaan dan dukungan tambahan dari National Science Foundation, Cornell University Materials Research Science and Engineering Center, Cornell High Energy Synchrotron Source, dan Air Force Research Laboratory.

Masa Depan Superkonduktor Cetak 3D yang Dapat Merakit Sendiri

Masa depan tampak cerah bagi superkonduktor cetak 3D yang dapat dirakit sendiri. Teknologi ini dipandang semakin penting. Saat ini, bidang mikroelektronika dan nanoteknologi merupakan sektor yang berkembang pesat dengan banyak investasi. Penelitian ini akan membantu memajukan upaya ilmiah dan mengungkap teknik-teknik untuk meningkatkan kinerja lebih jauh lagi.

Sudah banyak proyek superkonduktor yang menarik di dunia. Beberapa di antaranya termasuk pembuatan superkonduktor suhu kamar, menggunakan baru bahan untuk memperluas konduktivitas, dan memanfaatkan daya tarik untuk meningkatkan kinerja.

Berinvestasi dalam Manufaktur Superkonduktor

Sektor superkonduktor mencakup beragam produsen dan kelompok riset ternama. Perusahaan-perusahaan ini terus menggelontorkan jutaan dolar untuk penelitian dan pengembangan dengan tujuan menemukan material yang lebih mumpuni dan efisien. Karya mereka membantu mendorong perkembangan ilmu pengetahuan mutakhir seperti komputasi, fisika kuantum, aeronautika, dan lainnya. Berikut adalah salah satu perusahaan yang tetap berada di garis depan inovasi dan dihormati sebagai pemimpin industri di pasar.

Perusahaan Superkonduktor Amerika

American Superconductor Corp memasuki pasar pada bulan April 1987. Para pendirinya, yang meliputi profesor MIT Gregory J. Yurek, Yet-Ming Chiang, David A. Rudman, dan John B. Vander Sande, ingin menyediakan superkonduktor berkinerja tinggi untuk aplikasi industri, energi angin, dan militer yang sedang berkembang.

Pada tahun 1991, American Superconductor Corp melantai di bursa saham dengan sukses besar. Perusahaan kemudian melakukan beberapa akuisisi tingkat tinggi, termasuk perusahaan pembangkit listrik tenaga angin Austria, Windtec, pada tahun 2007. Akuisisi ini memungkinkan perusahaan untuk mengembangkan riset, lini produk, dan posisi pasarnya.

Pada tahun 2017, American Superconductor Corp menandatangani kemitraan strategis dengan Angkatan Laut AS. Kontrak tersebut memungkinkan perusahaan untuk menciptakan dan memelihara Sistem Perlindungan Kapal (SPS). Produk ini membantu mengurangi jejak magnetik kapal angkatan laut, sehingga mempersulit penargetan dan pelacakan kapal.

Saat ini, American Superconductor Corp tetap menjadi pemimpin dalam superkonduktor suhu tinggi dan produksi kawat. Produk-produknya dapat ditemukan di ladang angin besar di seluruh dunia, kapal-kapal angkatan laut besar, dan laboratorium ilmiah di seluruh dunia. Mereka yang mencari produsen superkonduktor terkemuka dengan kontrak pemerintah sebaiknya meneliti lebih lanjut tentang American Superconductor Corp dan produk-produknya.

Berita dan Kinerja Saham AMSC (AMSC) Terbaru

Superkonduktor Cetak 3D yang Dapat Merakit Sendiri | Kesimpulan

Studi superkonduktor cetak 3D yang dapat dirakit sendiri ini membuka pintu bagi pendekatan materi lunak terhadap material kuantum dan lainnya. Masa depan akan bergantung pada material canggih ini untuk memberikan kinerja dan daya tahan tambahan pada skala mikroskopis. Dengan demikian, makalah ini dapat dipandang sebagai pembuka pintu bagi inovasi-inovasi besar di masa mendatang.

Pelajari berita Sains menarik lainnya sekarang.

Referensi:

^{1. Yu, F., Thedford, RP, Tartaglia, TA, Sheth, SS, Freychet, G., Tait, WR, Beaucage, PA, Moore, WL, Li, Y., Werner, JG, Gruner, SM, Van Dover, RB, & Wiesner, UB (2025). Senyawa logam transisi berpori yang tersusun secara hierarkis dari pendekatan pencetakan 3D tipe satu pot. Nature Communications, 16(1), 1-12. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62794-8}