在美国能源部费米国家加速器实验室资助下，西北大学与费米实验室的研究人员成功发明一种3D打印高温超导体的新工艺，首次制造出具有单晶微结构的3D打印陶瓷超导体，目前该技术正在等待美国专利批准。相关研究成果论文已于2月24日发表在《自然通讯》上。
一颗由单粒种子3D打印而成的超导体样品——形状像一架纸飞机——悬浮在磁铁上方。图片来源：张鼎昌
超导体作为一种特殊材料，能在极低温度下实现零电阻导电，而高温超导体因工作温度高于传统超导体，更具实用价值。
论文合著者克里斯蒂安·博福(Cristian Boffo)通过费米实验室的实验室指导研究与开发项目(LDRD)获得项目资金。他担任“质子改进计划 - II”项目负责人，该项目旨在于费米实验室建造一台先进的超导直线加速器。博福获得LDRD资助用于开发名为超导波荡器的先进磁体，这与费米实验室应用物理和超导技术理事会的计划活动相契合，目标之一是通过引入高温超导体和3D打印技术，革新超导波荡器的设计与制造，西北大学研究人员为此提供助力。博福表示，费米实验室期望制造更优的磁体系统，提升效率与性能，西北大学提供3D打印经验，费米实验室则贡献超导体经验。
电流在常温下流经材料会因电阻产生能量损失。一百多年前，科学家发现超导现象，即材料温度降至接近绝对零度(零下460华氏度/零下273摄氏度)时会失去电阻，使电流高效通过，但需使用昂贵且难处理的冷却剂如液氦。20世纪80年代，科学家发现临界温度更高的高温超导体，可达零下321华氏度(零下196摄氏度)，虽仍较低，但多为陶瓷材料，通常是氧化铜与其他金属氧化物的混合物，可用液氮而非液氦冷却。负责该研究的西北大学材料科学与工程教授戴维·杜南(David Dunand)称，使用液氮将结构冷却至超导状态的成本大幅降低。
如今，超导技术应用广泛，涵盖低损耗发电机、电动机、医学成像技术以及快速安静的磁悬浮列车等领域。然而，超导体对极低温度的依赖限制了其应用，开发高温超导体对推动其日常应用至关重要。在物理学中，高温超导体优势明显，能在比传统超导材料更高的磁场中保持超导性。
在3D打印超导陶瓷过程中，科学家首先需要“前驱体粉末”，即精细研磨的化合物混合物，将其与粘合剂混合制成可打印糊状物，再通过3D打印机逐层挤出构建结构，之后放入熔炉加热烘烤，这一高温过程称为烧结。但最终得到的部件多晶微观结构不利于产生或捕获强磁场，单晶超导体性能更佳，有望应用于加速器物理领域，却无法通过粉末3D打印制造。
因此，杜南和他的研究生丁昌·张(Dingchang Zhang)首次尝试将单晶超导体的优异物理特性与3D打印多晶结构的复杂结构相结合。新论文介绍了他们的成功方法：使用常见的前驱体粉末混合物——钇钡铜氧化物(YBCO)，3D打印出陶瓷多晶超导体。烧结完成后，将由另一种超导材料——钕钡铜氧化物(NdBCO)制成的单晶种子置于其上，开始顶部种子熔体生长过程，即加热打印结构使其部分熔化，填充3D打印微结构中的孔洞或孔隙，增强结构坚固性，随后以极慢速度冷却，使其以与种子相同的晶体学取向重新凝固，最终成品保留原始3D打印形状并具有更坚固的单晶结构。
杜南和张首先将该方法应用于3D打印的微晶格形状，随后逐步扩展到更复杂形状。他们发现，仅用一颗“种子”就能制造出直径达10厘米的超导器件，甚至用此方法3D打印出一块超导材料箔，张将其折叠成微型纸飞机形状，证明3D打印超导体可形成具有尖角的复杂形状。
未来，他们希望研究多种子方法，通过使用多个独立的单晶种子生产更大的部件。张教授表示，若要将该技术用于加速器，需打印更大部件，但如何放置“种子”以及是否会引发其他问题尚不清楚。
杜南认为，他们的方法“向前迈出了一大步”，表明制造复杂形状的单晶超导体是可行的，希望这能激发3D打印单晶陶瓷的进一步研究，且该技术具有高度可扩展性，若能在西北大学实验室实现，相信也可在其他环境中复制。博福也表示，这项新技术将助力实现新的磁体设计，提高性能，甚至可能实现新一代超导射频腔体的制造，这是一次非常成功的合作。
