O financiamento do Laboratório Nacional Acelerador Nacional do Departamento de Energia dos EUA permitiu que pesquisadores da Northwestern College e Fermilab inventassem um novo processo para os supercondutores de impressão 3D de alta temperatura. Este método é o primeiro a fabricar supercondutores de cerâmica impressos em 3D com uma microestrutura monocristalina e atualmente aguarda a aprovação dos EUA. O artigo deles period Publicado na Nature Communications.
Os supercondutores são um tipo especial de materials que pode realizar eletricidade com resistência zero, mas apenas a temperaturas extremamente frias. Os supercondutores de alta temperatura são únicos porque trabalham em temperaturas maiores que os supercondutores tradicionais, tornando-os mais práticos para aplicações.
Cristian Boffo, co-autor no papel, garantiu financiamento para o projeto através Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Direcionada do Laboratório de Fermilab. Boffo é o diretor do projeto do Proton Melhoria Plano II, um projeto que construa um acelerador linear supercondutor de última geração no Fermilab.
O Boffo recebeu financiamento da LDRD para desenvolver ímãs avançados chamados onduladores supercondutores, alinhando -se com atividades planejadas na diretoria de tecnologia da física e supercondutor da Fermilab. Um dos objetivos do projeto é explorar novas tecnologias que podem revolucionar o design e a fabricação de onduladores supercondutores através da introdução de supercondutores de alta temperatura e impressão 3D.
“O Fermilab quer criar sistemas de ímãs melhores e melhores que sejam mais eficientes e atingam um desempenho mais alto”, disse Boffo. “A Northwestern fornece a experiência na impressão 3D e proporcionamos experiência em supercondutores.”
Supercondutores de alta temperatura
Quando a eletricidade flui através de um materials a temperaturas normais, sempre haverá alguma perda de energia devido à resistência. Há mais de 100 anos, os cientistas descobriram o fenômeno da supercondutividade: quando reduzidos a temperaturas próximas a zero absoluto – menos 460 graus Fahrenheit (menos 273 de graus Celsius) – os materiais perdem a resistência elétrica, permitindo a eletricidade para se mover através deles extremamente eficientemente. Isso requer refrigerantes caros e difíceis de manipular, como o hélio líquido.
Na década de 1980, os cientistas descobriram supercondutores de alta temperatura que operariam em uma temperatura crítica mais alta-embora ainda friosa-de menos 321 graus Fahrenheit (menos 196 graus Celsius). Estes são principalmente materiais de cerâmica, geralmente óxidos de cobre combinados com outros óxidos metálicos. Esses supercondutores podem ser resfriados com nitrogênio líquido em vez de hélio líquido.
“Usando nitrogênio líquido, é muito mais barato esfriar a estrutura para onde ela se torna supercondutora”, disse David Dunand, professor de ciência e engenharia de materiais da Northwestern College, que realizou a pesquisa.
Hoje, os usos tecnológicos para a supercondutividade variam de geradores de energia de baixa perda a motores elétricos, desde a tecnologia de imagem médica a trens rápidos e magneticamente levitados. Mas a necessidade dos supercondutores de limites de frio extremo, portanto, o desenvolvimento de supercondutores de alta temperatura é very important para o avanço das aplicações diárias. E na física, os supercondutores de alta temperatura são especialmente vantajosos porque mantêm sua supercondutividade em campos magnéticos mais altos do que os materiais supercondutores tradicionais.
Policristais para monocristais
Para imprimir 3D Cerâmica supercondutoraos cientistas começam com um ‘pó precursor’: uma mistura finamente moída de compostos químicos. Eles combinam o pó com um fichário para criar uma pasta imprimível, que pode ser extrudada por uma impressora 3D para construir uma estrutura, camada por camada – como a técnica da bobina de fazer cerâmica. A estrutura é então aquecida e assada em um forno, um processo de alta temperatura conhecido como sinterização.
A peça resultante possui uma microestrutura policristalina, mas isso não é ultimate para criar ou capturar um forte campo magnético. Um supercondutor monocristalino teria propriedades muito melhores para usos potenciais na física do acelerador, mas não pode ser fabricada by way of impressão em pó 3D.
Assim, Dunand e seu estudante de graduação Dingchang Zhang procuraram demonstrar, pela primeira vez, uma maneira de combinar as propriedades da física superior de um supercondutor monocristalino com a arquitetura complexa de uma estrutura policristalina impressa em 3D.
O novo artigo descreve seu método de sucesso. Eles imprimem um supercondutor de policristalina cerâmica usando mistura de pó precursor comum chamada óxido de cobre de bário Yttrium, ou YBCO. Uma vez sinterizado, os pesquisadores colocam uma semente de cristal única, feita de um materials supercondutor diferente, óxido de cobre de bário de neodímio, ou NDBCO, no topo. Eles então iniciam um processo chamado crescimento de fusão de semente superior: aquecendo a estrutura impressa para que ele derrete parcialmente, enchendo orifícios ou poros na microestrutura impressa em 3D, tornando -o mais robusto. Os pesquisadores então esfriam a estrutura muito lentamente, de modo que ela se solidi com a mesma orientação cristalográfica que a semente. A peça remaining mantém sua forma impressa em 3D authentic, agora com uma estrutura monocristalina mais forte.
Dunand e Zhang usaram seu método primeiro com um Formato de micro-latconinho impresso em 3Ddepois se formou em formas mais complexas. Eles descobriram que poderiam usar uma única semente para fabricar peças supercondutoras de até 10 centímetros de diâmetro. Eles até usaram seu método para imprimir 3D uma folha de materials supercondutor que Zhang dobrou na forma de um pequeno avião de papel, demonstrando que os supercondutores impressos em 3D podem ser formados em formas complexas com cantos afiados.
No futuro, eles esperam investigar métodos de várias sementes-diferentes do método policristal-no qual esperam produzir peças maiores usando muitas sementes de cristal único separadas.
“Se queremos usá -lo para aceleradores, precisamos imprimir peças maiores”, disse Zhang, que completou seu doutorado no Northwestern em agosto de 2024. “Se queremos obter partes maiores, como colocaremos as sementes? Se isso terá outros problemas, não sabemos.”
Dunand disse que seu método “deu um grande passo à frente”, mostrando que é possível criar supercondutores monocristais com formas complexas. Eles esperam que isso também encourage mais pesquisas em cerâmica de impressão em 3D.
“Eu acho que é altamente escalável”, disse Dunand. Se eles pudessem fazê -lo em seu laboratório no noroeste, Dunand disse que acha que pode ser replicado em muitos outros ambientes.
“Essa nova tecnologia permitirá novos designs de ímãs, levando a performances mais altos e potencialmente permitirá a produção de uma nova geração de cavidades de radiofrequência supercondutora”, disse Boffo. “Eu acho que essa foi uma colaboração muito bem -sucedida.”
O Fermi Nationwide Acelerator Laboratory é o principal laboratório nacional da América para pesquisa de física e acelerador de partículas. Fermi Ahead Discovery Group gerencia Fermilab para o Departamento de Energia dos EUA Escritório de Ciência.