3D打印超导体磁场强度创纪录

科技日报记者 张佳欣

据新一期《自然·通讯》杂志报道，美国康奈尔大学研究人员开发出一种“一步式”3D打印方法，制造出性能创纪录的超导体。其中，打印的氮化铌超导体在纳米多孔结构的作用下，其上临界磁场提升至40—50特斯拉，创造了该化合物迄今最高纪录。这一突破简化了传统复杂工艺，有望推动从医学成像磁体到量子器件等多领域的发展。

早在2016年，该团队首次利用嵌段共聚物实现了自组装超导体。这类柔性链状分子能够自发排列成有序、重复的纳米级结构。到2021年，该团队已证明软材料方法能制备出性能与传统方法相当的超导体。

此次新方法则迈出更大一步。团队采用由嵌段共聚物和无机纳米颗粒组成的“墨水”，在3D打印过程中实现自组装，随后通过热处理转化为多孔晶体超导体。这种“一步式”工艺省去了传统方法中的多重合成、粉末制备、添加黏结剂和多轮加热等步骤，极大提高了效率。

通过该工艺，团队可直接制备具有三重结构层次的超导材料。在原子尺度，原子排列成晶格；在介观尺度，嵌段共聚物的自组装形成有序结构；在宏观尺度，3D打印可形成诸如线圈、螺旋等复杂形态，满足不同应用需求。

本次研究最引人注目的成果来自对氮化铌超导体的打印实验。由于纳米结构的多孔性，这种3D打印超导体的上临界磁场达到了40—50特斯拉，创造了该类化合物超导体的最高“约束效应诱导值”。这一特性对于强超导磁体，如磁共振成像设备至关重要。他们还发现，材料的超导特性可与聚合物分子量等设计参数直接关联，从而为性能预测提供了新工具。

团队计划将该方法拓展至氮化钛等其他超导材料，并探索传统方法难以实现的复杂3D几何结构。多孔架构带来的创纪录比表面积，也为研究量子材料和开发下一代器件打开了新思路。