在美國能源部費米國家加速器實驗室資助下，西北大學與費米實驗室的研究人員成功發明一種3D打印高溫超導體的新工藝，首次制造出具有單晶微結構的3D打印陶瓷超導體，目前該技術正在等待美國專利批準。相關研究成果論文已于2月24日發表在《自然通訊》上。
一顆由單粒種子3D打印而成的超導體樣品——形狀像一架紙飛機——懸浮在磁鐵上方。圖片來源：張鼎昌
超導體作為一種特殊材料，能在極低溫度下實現零電阻導電，而高溫超導體因工作溫度高于傳統超導體，更具實用價值。
論文合著者克里斯蒂安·博福(Cristian Boffo)通過費米實驗室的實驗室指導研究與開發項目(LDRD)獲得項目資金。他擔任“質子改進計劃 - II”項目負責人，該項目旨在于費米實驗室建造一臺先進的超導直線加速器。博福獲得LDRD資助用于開發名為超導波蕩器的先進磁體，這與費米實驗室應用物理和超導技術理事會的計劃活動相契合，目標之一是通過引入高溫超導體和3D打印技術，革新超導波蕩器的設計與制造，西北大學研究人員為此提供助力。博福表示，費米實驗室期望制造更優的磁體系統，提升效率與性能，西北大學提供3D打印經驗，費米實驗室則貢獻超導體經驗。
電流在常溫下流經材料會因電阻產生能量損失。一百多年前，科學家發現超導現象，即材料溫度降至接近絕對零度(零下460華氏度/零下273攝氏度)時會失去電阻，使電流高效通過，但需使用昂貴且難處理的冷卻劑如液氦。20世紀80年代，科學家發現臨界溫度更高的高溫超導體，可達零下321華氏度(零下196攝氏度)，雖仍較低，但多為陶瓷材料，通常是氧化銅與其他金屬氧化物的混合物，可用液氮而非液氦冷卻。負責該研究的西北大學材料科學與工程教授戴維·杜南(David Dunand)稱，使用液氮將結構冷卻至超導狀態的成本大幅降低。
如今，超導技術應用廣泛，涵蓋低損耗發電機、電動機、醫學成像技術以及快速安靜的磁懸浮列車等領域。然而，超導體對極低溫度的依賴限制了其應用，開發高溫超導體對推動其日常應用至關重要。在物理學中，高溫超導體優勢明顯，能在比傳統超導材料更高的磁場中保持超導性。
在3D打印超導陶瓷過程中，科學家首先需要“前驅體粉末”，即精細研磨的化合物混合物，將其與粘合劑混合制成可打印糊狀物，再通過3D打印機逐層擠出構建結構，之后放入熔爐加熱烘烤，這一高溫過程稱為燒結。但最終得到的部件多晶微觀結構不利于產生或捕獲強磁場，單晶超導體性能更佳，有望應用于加速器物理領域，卻無法通過粉末3D打印制造。
因此，杜南和他的研究生丁昌·張(Dingchang Zhang)首次嘗試將單晶超導體的優異物理特性與3D打印多晶結構的復雜結構相結合。新論文介紹了他們的成功方法：使用常見的前驅體粉末混合物——釔鋇銅氧化物(YBCO)，3D打印出陶瓷多晶超導體。燒結完成后，將由另一種超導材料——釹鋇銅氧化物(NdBCO)制成的單晶種子置于其上，開始頂部種子熔體生長過程，即加熱打印結構使其部分熔化，填充3D打印微結構中的孔洞或孔隙，增強結構堅固性，隨后以極慢速度冷卻，使其以與種子相同的晶體學取向重新凝固，最終成品保留原始3D打印形狀并具有更堅固的單晶結構。
杜南和張首先將該方法應用于3D打印的微晶格形狀，隨后逐步擴展到更復雜形狀。他們發現，僅用一顆“種子”就能制造出直徑達10厘米的超導器件，甚至用此方法3D打印出一塊超導材料箔，張將其折疊成微型紙飛機形狀，證明3D打印超導體可形成具有尖角的復雜形狀。
未來，他們希望研究多種子方法，通過使用多個獨立的單晶種子生產更大的部件。張教授表示，若要將該技術用于加速器，需打印更大部件，但如何放置“種子”以及是否會引發其他問題尚不清楚。
杜南認為，他們的方法“向前邁出了一大步”，表明制造復雜形狀的單晶超導體是可行的，希望這能激發3D打印單晶陶瓷的進一步研究，且該技術具有高度可擴展性，若能在西北大學實驗室實現，相信也可在其他環境中復制。博福也表示，這項新技術將助力實現新的磁體設計，提高性能，甚至可能實現新一代超導射頻腔體的制造，這是一次非常成功的合作。
