Як 3D-друк створює самоорганізуючі надпровідники

Дослідники з Корнелла представили новий метод виготовлення надпровідників, який базується на спеціальних чорнилах для 3D-друку та самозбірці для створення певних наноструктур. Ця стратегія дозволяє інженерам створювати надпровідники з певними характеристиками та властивостями з меншими зусиллями та потребуючи менш спеціалізованого обладнання. Вона має потенціал для революції в обчислювальній техніці, квантових науках та багато чому іншому. Ось що вам потрібно знати.

Самозбірні (SA) наноструктури

Самоорганізація (СА) – це природне явище, коли атоми, молекули або частинки автоматично організовуються в певні форми без будь-якого втручання. Ця стратегія пропонує інженерам надійний та ефективний метод створення міцних мікроскопічних структур без необхідності використання спеціального обладнання для виконання завдання.

Самозбірка відбувається завдяки нековалентним силам, що діють у зв'язку з факторами навколишнього середовища. Крихітні наноструктурні будівельні блоки автоматично формуються в структури, що забезпечують оптимальне використання енергії. Ці крихітні форми пропонують високу масштабованість, довговічність та інші ідеальні характеристики для таких завдань, як створення надпровідників.

Примітно, що проекти SA стали більш популярними серед перший самоорганізований надпровідник розкрито у 2016 році. Цікаво, що багато з тих самих інженерів працювали над цим останнім проєктом, що підкреслює довгостроковий характер та важливість їхнього внеску в наноструктурні науки.

Проблеми з підходами до самоаналізу (SA)

Існують деякі технічні перешкоди для стратегій самоаналізу (SA), які інженери повинні подолати, якщо вони мають намір максимально використати цей метод виготовлення. По-перше, різні наноструктури вимагають різної кінетики впорядкування окремих процесів на різних масштабах довжини.

Крім того, інженери виявили, що 3D-друк функціональних кристалічних пористих неорганічних наноматеріалів залишається складним завданням. Поточна стратегія базується на багатогранному підході, який включає окремий синтез пористих матеріалів.

Спочатку матеріали перетворюють на порошкоподібну форму, щоб їх можна було змішати зі зв'язуючими речовинами. Після цього суміш повторно обробляється перед тим, як перейти до завершального етапу – термічної обробки. Ця процедура є трудомісткою, дорогою та обмеженою в тому, які наноструктури та матеріали можна використовувати.

Мезоструктури, отримані з блок-сополімеру (BCP) SA

Інженери доклали багато зусиль для розробки найміцніших та найефективніших наноструктур. Використання мезоструктур, отриманих з блок-сополімеру (BCP) SA, нещодавно відкрило шлях для більшої кількості застосувань. Ці крихітні конструкції забезпечують підвищену структурну жорсткість та контроль. Зокрема, наноструктури BCP дозволяють інженерам змінювати мезомасштабні решітки та параметри решітки для створення міцніших та високопродуктивних варіантів.

Примітно, що ієрархічно впорядковані мезопористі сполуки перехідних металів на основі BCP SA розглядаються як майбутнє цієї технології. Однак на сьогоднішній день не було жодного дослідження, яке б демонструвало успішний 3D-друк наноструктур BCP.

Дослідження самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері

Команда Ієрархічно впорядковані пористі сполуки перехідних металів, отримані за допомогою однофазного 3D-друку вчитися¹ представляє новий метод виготовлення для створення передових наноструктур полімерів (SA) за допомогою 3D-друку. Дослідження заглиблюється в 3D-друк сполук перехідних металів за допомогою золь-гель хімії, які самоорганізуються під час етапу друку.

Джерело - Nature

Карт

Одним із перших кроків, які зробили інженери, було створення комп'ютерної карти наноструктур та процесів їх формування. Ця стратегія дозволила їм визначити ключові деталі, такі як молярна маса полімеру, який пропонує найвищі надпровідні характеристики тощо.

Процес прямого письма чорнилом

Інженери розробили унікальну стратегію, яка спиралася на «одногорщик«підхід до друку». У цій стратегії використовувалися спеціальні чорнила, створені з використанням блок-кополімерів (BCP) сімейства Pluronics. Цікаво, що BCP поєднуються із золями перехідних металів, гідролізованими з алкоксидів металів у кислих розчинах етанолу. Ця стратегія забезпечує кращу ефективність та нижчі витрати порівняно з традиційними методами, які базуються на процесі порошкування.

друк

Для підтримки стратегії використання чорнил з однією ємністю було створено спеціальну насадку для 3D-принтера. Пристрій використовував друкуючу головку типу шприцевого насоса для подачі матеріалу. Зокрема, спеціально розроблена друкуюча головка видавлює чорнило в ємність, що містить інші матеріали, залежно від того, який тип наноструктури хочуть створити вчені.

Зокрема, для створення періодичних кубічних структур з дровітні використовували посуд, заповнений гексаном. Також як альтернативу використовували гелеподібну рідину, що містила 25% маси Pluronic F127 у воді. Ця речовина могла самоорганізуватися в періодичні спіральні структури.

Термічна обробка

Заключний етап процесу виготовлення включає термічну обробку. Коли тепло прикладається до відбитка, це викликає реакцію, що призводить до утворення ієрархічно впорядкованих і пористих кристалічних оксидів і нітридів. Ці матеріали потім самоорганізуються в періодичні мезоструктури, ідеальні для використання як кристалічні надпровідники.

Контроль структури

Інженери зазначили, що масштабовані пористі функціональні неорганічні матеріальні утворення дали їм можливість виділити певні властивості. Вони задокументували три конкретні масштаби довжини, включаючи комбіновані атомні решітки, мезомасштабні решітки на основі SA та макроскопічні решітки, індуковані 3D-друком.

Цей підхід дозволяє пропустити багато трудомістких і дорогих етапів попередніх методів і дозволяє інженерам визначати структурні атрибути за допомогою кристалізації оксиду або нітриду. Зокрема, команда використала самоскладання блок-сополімерів для створення мезоструктурованих решіток, які можуть включати витки або спіралі, що робить їх ідеальними для різних сценаріїв використання.

Сушіння та затвердіння

Після обробки наноструктури піддаються впливу відкритого повітря, перш ніж пройти ще один цикл нагрівання в аміаку та цементуючому газі. На цьому етапі використовуються вищі температури, 950 °C, для перетворення оксидів у специфічні кристалічні спіралі нітридів перехідних металів та гексагонально впорядковані дров'яні купи, що містять атомні решітки.

Тест самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері

Щоб перевірити свою рецептуру чорнил та методи друку в «одній ємності», команда створила кілька тестових сценаріїв, метою яких було відстежити вплив процесу на довговічність та час складання. Першим кроком було створення окремостоячих гібридних решіток з дров.

Ґратки стісів дров містили мезопористі спіральні структури з оксидів та нітридів. Ця ключова деталь дуже важлива через те, що в минулому було практично неможливо безпосередньо надрукувати несамостійну конфігурацію. Щоб виконати це завдання, інженери покладалися на свій алгоритм картування, щоб визначити оптимальні характеристики та дизайн макромолекулярних структур.

Результати випробувань самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері

Тест друку дав вражаючі результати. По-перше, вони виявили, що цей підхід дозволяє друкувати складні форми з вищою продуктивністю, ніж будь-які попередні методи. Вони зазначили, що значна частина цієї довговічності може бути пов'язана зі збереженням мезоструктури, що знаходиться в кінцевих кристалічних матеріалах, які містять періодичні решітки.

Вражаюче, новий надпровідний матеріал перевершив попередників з верхнім критичним магнітним полем від 40 до 50 Тесла. Примітно, що це новий рекорд, який перевершує попередні спроби. Вчений також зазначив, що надруковані решітки є надпровідними, а рівень їхньої провідності визначається молярною масою та площею поверхні.

Переваги самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Існує довгий список переваг, які дослідження самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері, виводить на ринок. По-перше, воно створює новий метод виготовлення надпровідного матеріалу, який пропонує рекордно високу площу поверхні та провідність. Це відкриття допоможе розширити наукове розуміння наноструктурних форм та їх застосування.

Це дослідження також відкриває шлях для більш складних стратегій 3D-друку на нанорозмірних технологіях. Це призведе до розробки передових та високопродуктивних мезопористих сполук перехідних металів, спрямованих на полімеризацію (SA), з покращеними властивостями. Таким чином, довгострокові переваги цього дослідження ще належить побачити.

Самозбірний 3D-друкований надпровідник. Реальні застосування та хронологія:

Існує багато застосувань для самозбірних надпровідників, надрукованих на 3D-принтері. По-перше, ці пристрої виведуть методи перетворення енергії на новий рівень. Збільшена площа поверхні, що досягається завдяки компактній структурі, гарантує максимальну провідність для кожного застосування.

Це дослідження може допомогти вдосконалити технології накопичення енергії. Ці надпровідники мають більшу площу поверхні, що робить їх ідеальним каталізатором для промислового використання або інших застосувань, які потребують перетворення або доставки енергії. Таким чином, ця робота допоможе просунути технологію акумуляторів далі.

мікроелектроніка

Існує кілька застосувань цієї роботи в галузі мікроелектроніки. Самостійне складання дозволяє інженерам створювати складні мікроскопічні конструкції, що забезпечують розширені можливості навіть з найменшого пристрою. У майбутньому мікроелектроніка покладатиметься на цю технологію для забезпечення ефективної роботи та підвищення продуктивності.

Хронологія самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері

Мине приблизно 7-10 років, перш ніж ця технологія стане доступною для громадськості. Потрібно ще багато досліджень, щоб забезпечити масштабованість та продуктивність цих нових надпровідників при довгостроковому використанні. Таким чином, можна очікувати, що дослідження пройдуть щонайменше ще кілька років, перш ніж будуть розроблені будь-які виробничі стратегії.

Дослідники самозбірних надпровідників, надрукованих на 3D-принтері

Корнельський університет провів дослідження самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері. Серед авторів цієї роботи зазначено Фей Ю, Р. Пакстона Тедфорда, Томаса А. Тарталью, Седжала С. Шета, Гійома Фрейшета, Вільяма Р. Т. Тейта, Пітера А. Бокажа, Вільяма Л. Мура, Юаньчжі Лі, Йорга Г. Вернера, Джулію Том-Леві, Сола М. Грюнера, Р. Брюса ван Довера та Ульріха Б. Віснера.

Група отримала додаткове фінансування та підтримку від Національного наукового фонду, Науково-технічного центру матеріалів Корнельського університету, Корнельського джерела синхротронного випромінювання високих енергій та Дослідницької лабораторії ВПС.

Майбутнє самозбірних надпровідників, надрукованих на 3D-принтері

Майбутнє виглядає світлим для самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері. Ця технологія вважається важливішою, ніж будь-коли. Сьогодні галузь мікроелектроніки та нанотехнологій є швидкозростаючим сектором з значними інвестиціями. Ця робота допоможе просунути наукові зусилля та розкрити методи для подальшого покращення продуктивності.

У світі вже існує багато цікавих проектів, пов'язаних з надпровідниками. Деякі з цих проектів включають створення надпровідники кімнатної температури, використовуючи нові Матеріали розширити провідність та використовувати магнетизм для підвищення продуктивності.

Інвестування у виробництво надпровідників

Сектор надпровідників включає різноманітних відомих виробників та дослідницьких груп. Ці фірми продовжують вкладати мільйони в дослідження та розробки з метою створення більш функціональних та ефективних матеріалів. Їхня робота допомагає розвивати передові науки, такі як обчислювальна техніка, квантова фізика, аеронавтика тощо. Ось одна компанія, яка залишається на передовій інновацій та користується повагою як лідер галузі на ринку.

American Superconductor Corp.

Компанія American Superconductor Corp вийшла на ринок у квітні 1987 року. Її засновники, серед яких професор Массачусетського технологічного інституту Грегорі Дж. Юрек, Єт-Мін Чіанг, Девід А. Рудман та Джон Б. Вандер Санде, хотіли забезпечити високопродуктивні надпровідники для зростаючих промислових, вітроенергетичних та військових застосувань.

У 1991 році компанія American Superconductor Corp. з великим успіхом вийшла на біржу. Потім компанія здійснила кілька важливих придбань, зокрема австрійську компанію з виробництва вітроенергетики Windtec у 2007 році. Ці придбання дозволили фірмі розвивати свої дослідження, лінійку продуктів та позиціонування на ринку.

У 2017 році компанія American Superconductor Corp підписала угоду про стратегічне партнерство з ВМС США. Згідно з контрактом, компанія створила та обслуговувала Системи захисту суден (SPS). Цей продукт допомагає зменшити магнітні сигнатури військових кораблів, що ускладнює їх відстеження та виявлення.

Сьогодні American Superconductor Corp залишається лідером у виробництві високотемпературних надпровідників та дротів. Її продукцію можна знайти на великих вітрових електростанціях по всьому світу, великих військово-морських суднах та наукових лабораторіях по всьому світу. Тим, хто шукає авторитетного виробника надпровідників з державними контрактами, слід детальніше дослідити American Superconductor Corp та її пропозиції.

Останні новини та показники акцій AMSC (AMSC)

Самозбірний надпровідник, надрукований на 3D-принтері | Висновок

Дослідження самозбірного надпровідника, надрукованого на 3D-принтері, відкриває шлях до квантових матеріалів на основі м'якої матерії та інших аспектів. Майбутнє покладатиметься на ці передові матеріали для забезпечення додаткової продуктивності та довговічності в мікроскопічному масштабі. Таким чином, цю статтю можна розглядати як відкриття дверей для значних інновацій у майбутньому.

Дізнайтеся про інші цікаві наукові новини зараз.

Список використаної літератури:

^{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). Ієрархічно впорядковані пористі сполуки перехідних металів, отримані за допомогою однофазного 3D-друку. Nature Communications, 16(1), 1-12. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62794-8}