انقلاب در تولید ابررساناها: چاپ سه‌بعدی تک‌مرحله‌ای دانشگاه کرنل

محققان دانشگاه کرنل با توسعه یک روش چاپ سه‌بعدی تک‌مرحله‌ای برای تولید ابررساناها، گامی بلند در این حوزه برداشته‌اند. این تکنیک نوین، فرآیند ساخت را به طرز چشمگیری ساده کرده و پتانسیل ارتقای فناوری‌های مختلف، از آهنرباهای MRI گرفته تا دستگاه‌های کوانتومی پیشرفته را دارد.

این دستاورد مهم، نتیجه تقریباً یک دهه تحقیق و توسعه به رهبری اولریش ویزنر، استاد برجسته دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل است.

تاریخچه و تکامل تحقیق

• سال ۲۰۱۶: تیم ویزنر برای اولین بار نشان داد که مواد نرم می‌توانند در شکل‌گیری ابررساناها نقش هدایت‌کننده داشته باشند.
• سال ۲۰۲۱: عملکرد ابررساناهای تولیدی با روش‌های مرسوم برابری کرد.

مطالعه جدید فراتر از این نقاط عطف رفته و از جوهری خاص، متشکل از کوپلیمرها و نانوذرات معدنی، بهره می‌برد که در طول فرآیند چاپ سه‌بعدی به صورت خودآرا عمل می‌کنند. پس از چاپ، عملیات حرارتی ساختارهای ایجاد شده را به ابررساناهای کریستالی متخلخل تبدیل می‌کند.

این فرآیند «تک‌مرحله‌ای»، بسیاری از مراحل پیچیده و زمان‌بر روش‌های سنتی را حذف می‌کند؛ روش‌هایی که اغلب نیازمند سنتز جداگانه، استفاده از پودرها و چسب‌ها و چندین مرحله گرمایش هستند.

روش ابداعی دانشگاه کرنل، ابررساناهایی را تولید می‌کند که در سه مقیاس مختلف ساختار یافته‌اند:

• اتم‌ها: در شبکه‌های بلوری
• مزوساختارها: حاصل از مونتاژ کوپلیمر بلوکی
• اشکال ماکروسکوپی: مانند کویل‌ها و مارپیچ‌ها که به صورت سه‌بعدی چاپ می‌شوند.

ویزنر در این باره می‌گوید: «این موضوع مدت زیادی در دست بررسی بوده است. چیزی که این مقاله نشان می‌دهد این است که ما نه تنها می‌توانیم این اشکال پیچیده را چاپ کنیم، بلکه محدودیت میان‌مقیاس به مواد خواصی می‌دهد که قبلاً به سادگی قابل دستیابی نبودند.»

عملکرد بی‌سابقه و رکوردشکن

یکی از برجسته‌ترین نتایج این تحقیق، چاپ نیترید نیوبیوم بود. تخلخل نانوساختار این ماده، میدان مغناطیسی بحرانی بالای آن را به ۴۰ تا ۵۰ تسلا افزایش داد که بالاترین مقدار القا شده توسط محصورسازی برای این ترکیب محسوب می‌شود.

این ویژگی برای آهنرباهای ابررسانا در تصویربرداری پزشکی و سایر کاربردهای حیاتی، از اهمیت بالایی برخوردار است.

ویزنر توضیح می‌دهد: «ما این خاصیت ابررسانایی را بر روی یک پارامتر طراحی ماکرومولکولی که در سنتز ماده نقش دارد، ترسیم کرده‌ایم. این نقشه به ما می‌گوید که برای دستیابی به یک عملکرد ابررسانایی خاص، به کدام جرم مولی پلیمر نیاز است، که یک همبستگی قابل توجه است.»

دانشجویان تحصیلات تکمیلی نقش‌های کلیدی در این پروژه ایفا کردند؛ فی یو مسئول توسعه و آزمایش جوهرها بود، در حالی که پکستون تتفورد چالش‌های شیمی کوپلیمرهای بلوکی غیرمعمول کوچک را حل کرد. پروفسور بروس ون دوور، سول گرونر و جولیا تام-لوی نیز از بخش علوم مواد و فیزیک در این تحقیق مشارکت داشتند.

آینده مواد کوانتومی و جهت‌گیری‌های آتی

تیم تحقیقاتی کرنل قصد دارد این رویکرد را به سایر ترکیبات ابررسانا، از جمله نیترید تیتانیوم، گسترش دهد. همچنین، آنها به دنبال بررسی هندسه‌های سه‌بعدی پیچیده‌ای هستند که دستیابی به آنها با روش‌های مرسوم دشوار است.

این معماری متخلخل، مساحت سطح بی‌نظیری را برای ابررساناهای مرکب فراهم می‌کند که می‌تواند برای تحقیقات مواد کوانتومی و دستگاه‌های نسل بعدی بسیار ارزشمند باشد.

ویزنر با ابراز امیدواری می‌گوید: «من بسیار امیدوارم که به عنوان یک مسیر تحقیقاتی جدید، ایجاد ابررساناهایی با خواص جدید را آسان‌تر و آسان‌تر کنیم.» او از محیط مشارکتی دانشگاه کرنل که شیمی‌دانان، فیزیکدانان و دانشمندان مواد را گرد هم می‌آورد، قدردانی کرد و افزود: «این مطالعه نشان می‌دهد که رویکردهای ماده نرم به مواد کوانتومی چقدر پتانسیل دارند.»

این تحقیق با حمایت بنیاد ملی علوم و مرکز تحقیقات علوم و مهندسی مواد دانشگاه کرنل انجام شده است. همچنین، کارهای تکمیلی در منبع سینکروترون انرژی بالای کرنل با پشتیبانی آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی صورت گرفت. نتایج این مطالعه در مجله معتبر Nature Communications به چاپ رسیده است.