康奈尔大学的研究人员开发出一种突破性的3D打印技术，成功制作出具有可调超导性能的多孔金属材料。这项新技术利用块共聚物墨水，结合金属前驱体，能够在原子、纳米和微米尺度上精确控制材料结构。研究表明，通过这种方法制备的铌氮化物和钛氮化物具有更高的超导临界磁场和大表面积，应用前景广阔，包括催化、能源存储、超导磁体和量子材料等领域。该技术能够快速、低成本地制造定制化的超导材料，推动3D打印在量子材料研究和工业应用中的发展。
康奈尔大学研究人员开发可调超导性能的多孔金属材料
康奈尔大学的研究人员开发了一种新的3D打印技术，能够打印出具有异常性能的多孔金属，包括超导性。该研究发表在《自然通讯》上，介绍了一种“单锅”打印过程，使材料能够在多个尺度上组织自己，从原子晶格到毫米级打印形状。
该团队重点研究了过渡金属如铌和钛，它们可以形成用于电子学、催化、电能存储和超导设备的氧化物和氮化物。以往，生产这些材料具有精确的多孔结构通常需要缓慢的多步骤工艺。
由材料科学与工程教授乌尔里希·维斯纳（Ulrich Wiesner）领导的团队，设计了由块共聚物（block copolymers）组成的墨水，这些分子天然地排列成重复的图案。当这些墨水与金属前驱体混合时，可以通过精确控制加热将其转化为晶态氧化物或氮化物。
除了康奈尔大学，这项研究还得到了波士顿大学、布鲁克海文国家实验室、格勒诺布尔阿尔卑斯大学和国家标准与技术研究院（NIST）的贡献。
3D打印开启可调超导金属的可能性
一个关键挑战是如何在加热过程中保持细小孔隙不坍塌。该团队通过精细调整加热步骤，成功地让这些微小孔隙在材料结晶的过程中得以保留。最终的产品结合了三种不同的结构：金属的原子晶格、约4纳米宽的纳米孔以及更大规模的打印形状，如堆叠的网格和螺旋形。
其中的成就包括首次打印出自由立体的多孔氧化物和氮化物螺旋结构。研究人员将墨水打印到一种软支持材料上，随后去除支持材料而不损坏形状。测试结果显示这些复合超导体的表面积创下纪录：氧化物为298平方米每克，氮化物为129平方米每克。大表面积对于催化和传感等技术非常有价值，因为反应通常发生在暴露的表面上。
超导性方面的结果尤为显著。铌氮化物作为一种II类超导体，通常在17K左右转变为超导性，但在这种多孔形式下，它的超导转变温度有所不同，处理方法不同时，超导转变温度有时会低于常规（7–15K），但最重要的突破是更高的上临界磁场。在一些样品中，这些磁场达到了40-50T，是通常10-20T范围的两倍以上。钛氮化物也表现出类似的改进，尽管团队强调这些测试仍处于早期阶段，且未进行优化。
这些性能的提升来源于在块共聚物所塑造的薄孔壁内限制电子流动。通过改变聚合物的大小，研究人员能够调节孔壁的厚度，从而调整超导性能。这意味着，通常被认为是材料固有特性的属性，实际上可以通过设计打印墨水来调整。
由于该方法使用的是现成的聚合物、化学品和标准3D打印机，研究人员认为这项技术能够快速推广。他们表示，这可能会将3D打印、多孔材料和量子材料研究等领域联系起来。潜在的应用包括更好的催化剂、改进的能源存储材料以及超导磁体和微电子设备的零部件。
通过展示一种打印过程能够在纳米到毫米的多个尺度上制造出具有特定结构的材料，研究团队为大规模制造具有定制性能的多孔过渡金属化合物开辟了道路。他们的成果展示了如何通过控制多层次结构，激发常见材料的新性能。
通过3D打印扩展超导性
康奈尔大学的这项工作是越来越多研究的一部分，探索如何通过3D打印重新塑造超导体的特性。
今年3月，西北大学和费米实验室的研究人员开发了一种两步法，通过3D打印单晶超导体，采用的是钇钡铜氧（YBCO）材料，突破了脆性单晶和弱聚晶版本的限制。在该研究中，团队先通过氧化物墨水打印出详细的聚晶结构，再通过1090°C的顶种熔融生长过程，加入Y123、Y211、铈氧化物以及NdBCO种子，将材料重组为单晶。这样一来，材料的晶粒边界被消除，性能显著提升：在77K时，超导电流能力是常规材料的66倍，10K时是常规材料的180倍，同时还能打印出如线圈和屏蔽管等复杂形状。
九年前，墨尔本大学的丹尼尔·克里登教授（Daniel Creedon）展示了3D打印能够制造出超导微波腔体，并且其电气性能与传统腔体相当。对于粒子加速器和精密测量至关重要的这些腔体，使用选择性激光熔化技术打印，并在打印后通过770K的热处理进一步提高了它们的质量因子。研究结果表明，经过进一步精炼，3D打印的超导腔体可能会成为大规模应用的实际方案。
