在3D打印过程中，共聚物无机纳米粒子墨水被沉积下来，并在热处理成晶体超导体之前进行自组装。在首次证明软材料可以引导超导体形成近十年后，康奈尔大学的研究人员成功实现了一种一步式3D打印方法，可生产出具有创纪录性能的超导体。这项进展于8月19日发表在《自然—通讯》杂志上，该研究建立在该校材料科学与工程系乌尔里希·维斯纳领导的多年跨学科工作的基础上，有望改进超导磁体和量子器件等技术。维斯纳及其同事于2016年报道了首个使用嵌段共聚物（一种柔软的链状分子，可以自然地排列成有序、重复的纳米级结构）制备的自组装超导体。到2021年，该团队发现，这些软材料方法可以产生与传统方法相当的超导性能。这项新研究使用一种在3D打印过程中自组装的共聚物-无机纳米颗粒墨水，增强了超导性能；然后，通过热处理将打印材料转化为多孔晶体超导体。该方法与传统的多孔材料3D打印方法截然不同，后者通常需要单独合成多孔材料，将其转化为粉末，与黏合剂混合，然后通过热处理进行再加工。康奈尔大学的可扩展一步式工艺跳过了许多步骤，从而创造出具有三种不同尺度结构的超导材料：在原子尺度上，原子排列成晶格；嵌段共聚物自组装引导介观结构晶格的形成；3D打印则可生成宏观晶格，包括用于不同应用的线圈或螺旋结构。“这项工作已经酝酿了很长时间，”维斯纳说道，“这篇论文表明，我们不仅可以打印这些复杂的形状，而且中尺度约束还能赋予材料以前无法实现的特性。”这项研究最引人注目的成果来自研究人员打印氮化铌材料。得益于其纳米结构孔隙率，这种3D打印超导体显示出40~50特斯拉的上临界磁场，这是迄今为止报道的此类化合物超导体的最高约束诱导值。这一特性对于强超导磁体（例如，用于磁共振成像的磁体）的运行至关重要。维斯纳说道：“我们将这种超导特性映射到材料合成过程中的一个大分子设计参数上，这是前所未有的发现。这张参数图告诉我们，实现特定超导性能所需的聚合物摩尔质量是多少，这两者之间存在着显著的相关性。”展望未来，研究人员希望探索替代性的超导化合物。该研究强调，该方法可应用于其他过渡金属化合物，如氮化钛，以及传统工艺难以实现的三维结构。多孔结构为化合物超导体创造了创纪录的表面积，这对于设计下一代量子材料可能具有重要意义。维斯纳希望，作为一个全新的研究方向，他们的研究能够让制造具有新特性的超导体变得越来越容易。这项研究展示了软物质方法在量子材料领域的巨大潜力。（逸文）