康奈爾大學的研究人員最近開發出一種一步驟的 3D 列印方法，能夠生產出性能卓越的超導體。這項技術簡化了製造過程，並有望提升從 MRI 磁體到量子裝置等多種技術的應用。這一進展得益於近十年的研究，該研究由康奈爾材料科學與工程系的斯賓塞·T·奧林教授 Ulrich Wiesner 主導。早在 2016 年，他的團隊首次顯示出軟材料可以指導超導體的形成。到 2021 年，他們的成果已經與傳統方法的性能相匹配。
這項新的研究超越了之前的里程碑，使用由共聚物和無機納米顆粒構成的油墨，這些材料在 3D 列印過程中自我組裝。隨後，熱處理將打印出的結構轉化為多孔的晶體超導體。這種「一鍋」的過程省略了傳統方法中常見的許多步驟，這些步驟通常需要單獨的合成、粉末、粘合劑以及多輪加熱。康奈爾的方法能夠在三個層面上創建結構：原子在晶體晶格中，來自於區塊共聚物組裝的中尺度結構，以及像線圈和螺旋體這樣的宏觀 3D 列印形狀。
Wiesner 表示：「這是一個漫長的過程。」他同時在康奈爾的設計技術系教授。「這篇論文展示的不僅是我們能夠打印這些複雜形狀，還有中尺度的限制賦予了材料以前無法實現的特性。」在這一研究中，打印出來的鋼鈮氮化物表現出卓越的性能，納米結構的多孔性使其上臨界磁場達到 40–50 特斯拉，這是該化合物所報告的最高限制誘導值。這一特性對醫療成像和其他應用中的超導磁體至關重要。
在研究過程中，研究生在其中發揮了重要作用。Fei Yu 負責開發和測試油墨，而 Paxton Thetford 則解決了異常小的區塊共聚物的化學挑戰。此外，布魯斯·范·多弗、索爾·格魯納和朱莉亞·湯姆-利維等教授也從材料科學和物理學的角度作出了貢獻。團隊計畫將這一方法擴展到其他超導化合物，例如氮化鈦。他們還希望探索用傳統方法難以實現的複雜 3D 幾何形狀。多孔的結構為化合物超導體提供了創紀錄的表面積，這一特徵可能對量子材料研究和下一代設備非常有價值。
Wiesner 表示：「我非常希望，作為一個新的研究方向，我們能夠越來越容易地創造出具有新穎特性的超導體。」他讚揚了康奈爾的合作環境，這樣的環境讓化學家、物理學家和材料科學家得以聚集在一起。「這項研究展示了軟材料方法在量子材料方面的潛力有多大。」這項研究得到了美國國家科學基金會的支持，以及康奈爾材料研究科學與工程中心的幫助。額外的工作在康奈爾高能同步輻射源進行，並得到空軍研究實驗室的支持。這項研究已經發表在《自然通訊》期刊上。
