چاپ سه‌بعدی راه را برای ابررساناهای نسل جدید هموار می‌کند
دانشمندان دانشگاه کرنل با استفاده از روشی نوین در چاپ سه‌بعدی موفق به تولید ابررساناهایی با کارایی بی‌سابقه شدند. این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های کوانتومی، دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی و نسل جدید مواد پیشرفته را شتاب دهد.
یکی از یافته‌های چشمگیر، تولید ابررسانای نیوبیوم-نیترید با معماری نانومتخلخل بود که میدان مغناطیسی بحرانی آن بین 40 تا 50 تسلا اندازه‌گیری شد؛ بالاترین مقداری که تاکنون برای این ترکیب گزارش شده است. چنین ویژگی برای کاربردهایی مانند آهنرباهای ابررسانا در دستگاه‌های MRI حیاتی است.
نقش دانشجویان تحصیلات تکمیلی در این پروژه برجسته بود: فی یو مسئول توسعه و آزمون جوهرهای چاپ و پکسون تتفورد چالش‌های شیمیایی مرتبط با کوپلیمرهای کوتاه را حل کرد. افزون بر این، همکاری استادان فیزیک و علوم مواد از جمله بروس فن دوور، سول گروئنر و جولیا تام-لوی به پیشبرد پروژه کمک کرد.
از دیگر دستاوردهای مقاله، ایجاد ارتباط مستقیم میان ساختار کوپلیمر و عملکرد ابررسانا است. ویزنر می‌گوید: «ما توانستیم عملکرد ابررسانایی را به پارامتر طراحی ماکرومولکولی مرتبط کنیم؛ نقشه‌ای که نشان می‌دهد چه جرم مولکولی برای دستیابی به ویژگی مشخص لازم است.»
این روش قابلیت تعمیم به ترکیبات دیگر مانند تیتانیوم نیترید و همچنین اشکال دشوار برای تولید به روش‌های سنتی را دارد. سطح بالای تخلخل نیز موجب افزایش مساحت سطحی مواد می‌شود که می‌تواند به توسعه نسل‌های تازه مواد کوانتومی کمک کند. این پژوهش با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا و مرکز علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل انجام شده و از منابعی مانند خط پرتو FMB در منبع سنکروترون کرنل بهره برده است.
تیمی بین‌رشته‌ای از محققان دانشگاه کرنل به سرپرستی اولریش ویزنر، استاد علوم و مهندسی مواد، روشی تازه برای تولید ابررساناها معرفی کرده‌اند که در مجله Nature Communications منتشر شده است.
به گزارش ایتنا و به نقل از تک‌اسپات، این روش بر پایه چاپ سه‌بعدی و استفاده از جوهرهای ویژه‌ای است که شامل کوپلیمرها و نانوذرات غیرآلی هستند. جوهر هنگام چاپ به‌طور طبیعی خودآرایی می‌کند و پس از تیمار حرارتی، ساختارهای متخلخل بلوری با خواص ابررسانایی شکل می‌گیرند.
مزیت اصلی این شیوه در یکپارچه‌سازی فرایند تولید است. در حالی که روش‌های سنتی به مراحل متعدد آماده‌سازی، آسیاب، ترکیب با چسبنده‌ها و حرارت‌دهی مجدد نیاز دارند، فرایند کرنل همه این مراحل را در یک گام فشرده انجام می‌دهد. ویزنر تأکید می‌کند که این دستاورد نتیجه سالها پژوهش در استفاده از مواد نرم برای طراحی ابررساناهاست و نشان می‌دهد چاپ سه‌بعدی نه‌تنها اشکال پیچیده را ممکن می‌سازد بلکه بهبود خواص فیزیکی را نیز به همراه دارد.
این پژوهش ترکیبی از سه مقیاس ساختاری را دربر می‌گیرد: خودآرایی کوپلیمرها در مقیاس نانومتری، نظم بلوری در سطح اتمی و کنترل هندسی در مقیاس ماکرو از طریق چاپ سه‌بعدی. نتیجه آن، ابررساناهایی با ساختار سلسله‌مراتبی در سه سطح متفاوت است.
به گزارش ایتنا و به نقل از تک‌اسپات، این روش بر پایه چاپ سه‌بعدی و استفاده از جوهرهای ویژه‌ای است که شامل کوپلیمرها و نانوذرات غیرآلی هستند. جوهر هنگام چاپ به‌طور طبیعی خودآرایی می‌کند و پس از تیمار حرارتی، ساختارهای متخلخل بلوری با خواص ابررسانایی شکل می‌گیرند.
مزیت اصلی این شیوه در یکپارچه‌سازی فرایند تولید است. در حالی که روش‌های سنتی به مراحل متعدد آماده‌سازی، آسیاب، ترکیب با چسبنده‌ها و حرارت‌دهی مجدد نیاز دارند، فرایند کرنل همه این مراحل را در یک گام فشرده انجام می‌دهد. ویزنر تأکید می‌کند که این دستاورد نتیجه سالها پژوهش در استفاده از مواد نرم برای طراحی ابررساناهاست و نشان می‌دهد چاپ سه‌بعدی نه‌تنها اشکال پیچیده را ممکن می‌سازد بلکه بهبود خواص فیزیکی را نیز به همراه دارد.
این پژوهش ترکیبی از سه مقیاس ساختاری را دربر می‌گیرد: خودآرایی کوپلیمرها در مقیاس نانومتری، نظم بلوری در سطح اتمی و کنترل هندسی در مقیاس ماکرو از طریق چاپ سه‌بعدی. نتیجه آن، ابررساناهایی با ساختار سلسله‌مراتبی در سه سطح متفاوت است.
یکی از یافته‌های چشمگیر، تولید ابررسانای نیوبیوم-نیترید با معماری نانومتخلخل بود که میدان مغناطیسی بحرانی آن بین 40 تا 50 تسلا اندازه‌گیری شد؛ بالاترین مقداری که تاکنون برای این ترکیب گزارش شده است. چنین ویژگی برای کاربردهایی مانند آهنرباهای ابررسانا در دستگاه‌های MRI حیاتی است.
نقش دانشجویان تحصیلات تکمیلی در این پروژه برجسته بود: فی یو مسئول توسعه و آزمون جوهرهای چاپ و پکسون تتفورد چالش‌های شیمیایی مرتبط با کوپلیمرهای کوتاه را حل کرد. افزون بر این، همکاری استادان فیزیک و علوم مواد از جمله بروس فن دوور، سول گروئنر و جولیا تام-لوی به پیشبرد پروژه کمک کرد.
از دیگر دستاوردهای مقاله، ایجاد ارتباط مستقیم میان ساختار کوپلیمر و عملکرد ابررسانا است. ویزنر می‌گوید: «ما توانستیم عملکرد ابررسانایی را به پارامتر طراحی ماکرومولکولی مرتبط کنیم؛ نقشه‌ای که نشان می‌دهد چه جرم مولکولی برای دستیابی به ویژگی مشخص لازم است.»
این روش قابلیت تعمیم به ترکیبات دیگر مانند تیتانیوم نیترید و همچنین اشکال دشوار برای تولید به روش‌های سنتی را دارد. سطح بالای تخلخل نیز موجب افزایش مساحت سطحی مواد می‌شود که می‌تواند به توسعه نسل‌های تازه مواد کوانتومی کمک کند. این پژوهش با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا و مرکز علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل انجام شده و از منابعی مانند خط پرتو FMB در منبع سنکروترون کرنل بهره برده است.
*
