3D-принтер сломал законы физики. Всего один шаг заменил десятки сложных операций

Исследователи Корнелльского университета представили метод трёхмерной печати, который позволяет создавать сверхпроводники с уникальными свойствами. Команда под руководством профессора Ульриха Виснера более десяти лет работала над применением мягких материалов для формирования сверхпроводящих структур, и теперь их усилия привели к рекордному результату — полученные образцы выдерживают магнитные поля в диапазоне 40–50 Тесла. Это значение стало самым высоким для ниобия нитрида при использовании искусственно созданной нанопористой архитектуры.

Технология основана на так называемом «одношаговом» подходе. В отличие от классических методов, где требуются отдельные этапы синтеза, добавления связующих веществ и многократных термообработок, новый процесс объединяет все операции. В качестве исходного материала используется чернила, приготовленные из сополимеров и неорганических наночастиц. При печати они собираются в заданные структуры, которые затем подвергаются нагреванию и превращаются в кристаллические сверхпроводники с развитой пористой поверхностью.

Особенность метода в том, что формирование идёт сразу на трёх уровнях: атомы выстраиваются в решётку, сополимеры задают мезоструктуру, а сама 3D-печать создаёт макроскопические объекты любой формы — от катушек до спиралей. Именно сочетание этих масштабов позволило достичь свойств, ранее недостижимых для данного соединения. Полученный ниобий нитрид демонстрирует предельные характеристики, важные для работы мощных магнитов, применяемых в медицинской визуализации и других технологиях.

По словам Виснера, удалось установить прямую зависимость между параметрами используемых полимеров и характеристиками конечного сверхпроводника. Такая «карта соответствия» открывает путь к созданию материалов с заранее заданными свойствами. Вклад в проект внесли и молодые исследователи: аспирант Фэй Ю занимался разработкой чернил и тестированием образцов, а Пакстон Тэтфорд решил задачи химии необычно малых блок-сополимеров. К проекту подключились профессора Брюс ван Довер, Сол Грюнер и Джулия Том-Леви, представляющие материалы и физику.

Дальнейшие планы включают эксперименты с другими соединениями, например титаном нитридом, а также печать более сложных форм, которые трудно или невозможно получить традиционными методами. Пористая архитектура особенно интересна для исследований в области квантовых материалов, где высокая площадь поверхности может дать новые эффекты. Авторы подчёркивают, что такой подход в перспективе упростит создание сверхпроводников с уникальными характеристиками и приблизит новые устройства в медицине, электронике и квантовых вычислениях.

Работа поддержана Национальным научным фондом США и Центром исследований материалов Корнелльского университета, а часть экспериментов проведена на источнике синхротронного излучения CHESS при содействии Исследовательской лаборатории ВВС. Статья с результатами опубликована в журнале Nature Communications.