康奈爾大學一鍋法3D打印高性能氮化鈮超導體，創(chuàng)下50特斯拉臨界磁場新紀錄

2025年9月1日，南極熊獲悉，美國康奈爾大學宣稱，研究人員已經實現(xiàn)了一種一步法3D打印方法，可以生產出具有創(chuàng)紀錄特性的超導體。該研究由材料科學與工程系Spencer T. Olin教授Ulrich Wiesner領導的團隊歷經多年跨學科工作完成，這一進展有望推動超導磁體和量子器件等技術的改進。

設計技術系教授威斯納說道：“這項工作已經醞釀了很長時間。這篇論文表明，我們不僅可以打印這些復雜的形狀，而且中觀尺度的限制還能賦予材料以前根本無法實現(xiàn)的特性?！?br />

△相關研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，題目為“通過一步法3D打印制備分級有序多孔過渡金屬化合物”（傳送門）

一步法3D打印超導材料

距據康奈爾大學首次證實軟材料可引導超導體形成已近十年。2016年，Wiesner以及同事報道了首個利用嵌段共聚物（一種柔軟的鏈狀分子，可以自然排列成有序、重復的納米級結構）制備的自組裝超導體。到2021年，研究團隊發(fā)現(xiàn)，這些軟材料方法可以產生與傳統(tǒng)方法相當?shù)某瑢阅堋?br />

△制備具有三種不同長度尺度周期性結構的過渡金屬氧化物和氮化物的“一鍋法”示意圖

這項新研究利用一種在3D打印過程中自組裝的共聚物-無機納米顆粒墨水，增強了材料的性能；隨后，通過熱處理，打印材料轉化為多孔晶體超導體。這種方法與傳統(tǒng)的多孔材料3D打印方法截然不同，傳統(tǒng)的多孔材料3D打印方法通常需要單獨合成多孔材料，將它轉化為粉末，與粘合劑混合，然后通過熱處理進行再加工。

康奈爾大學的可擴展“一鍋法”工藝跳過了許多步驟，從而創(chuàng)建了具有三個不同尺度結構的超導材料：在原子尺度上，原子排列成晶格；嵌段共聚物自組裝指導介觀結構晶格的形成；3D 打印可產生宏觀晶格，包括用于不同應用的線圈或螺旋。

△源自BCP-鈮酸溶膠的3D打印結構，具有周期性原子、中觀尺度和宏觀晶格

3D打印超導體創(chuàng)下50特斯拉臨界磁場新紀錄

這項研究最引人注目的成果來自于研究人員打印了一種氮化鈮材料。得益于納米結構的孔隙率，這種3D打印超導體顯示出40至50特斯拉的上臨界磁場，這是迄今為止報道過的此類復合超導體的最高約束誘導值。這一特性對于強超導磁體（例如用于MRI成像的磁體）的正常工作至關重要。

Wiesner說道：“我們將這種超導特性映射到材料合成過程中所需的大分子設計參數(shù)上。這是以前從未有人展示過的。這張圖告訴我們，需要哪種聚合物的摩爾質量才能達到特定的超導性能，這是一種顯著的相關性?！?br />
這項工作由研究生Fei Yu（負責開發(fā)和測試印刷油墨）和Paxton Thetford（負責解決處理異常小嵌段共聚物的化學問題）共同促成。此外，材料科學與工程系Walter S. Carpenter Jr.教授Bruce van Dover、文理學院物理系名譽教授Sol Gruner和教授兼系主任Julia Thom-Levy也做出了重要貢獻。

△3D打印BCP定向介孔超導體 (SC) 特性

Wiesner補充道：“我非常希望，作為一個全新的研究方向，我們能夠越來越輕松地創(chuàng)造具有新特性的超導體。康奈爾大學的獨特之處在于，它匯集了化學家、物理學家和材料科學家，共同推動這一領域的發(fā)展。這項研究證明了軟物質方法在量子材料領域的應用潛力巨大?！?br />
展望未來，研究人員希望探索替代性的超導化合物。研究強調，該方法可應用于其它過渡金屬化合物，例如氮化鈦，以及傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的三維結構。多孔結構為化合物超導體創(chuàng)造了創(chuàng)紀錄的表面積，這可能對設計下一代量子材料具有重要意義。

這項研究得到了美國國家科學基金會的支持，部分得益于康奈爾大學材料研究科學與工程中心以及康奈爾高能同步加速器源的FMB光束線，由空軍研究實驗室贊助。