ノースウエスタン大学、優れた超伝導体プリンティング

March, 11, 2025, Evanston--ノースウエスタン大学の研究者によると、超伝導体材料は、MRIの医用画像に電力を供給したり、列車が移動するときに線路の上に浮かんだり、エネルギーを節約したりと、生活に大きな違いをもたらしている。

しかし、より高度な超伝導体には、そのセラミック特性がそれらを脆くするという苛立たしい欠点もあった。

「セラミックベースの銅酸化物は一般的な高温超伝導体であり、液体窒素で動作するため、低温金属超伝導体よりもはるかに安価で扱いやすい。しかし、これらの材料が作ることができる形状は、その脆さのために制限されていた。エネルギー効率に最適化された複雑なオブジェクトを作成できるようにしたいと考えている」と、MCコーミック工科大学の材料科学および工学のDavid Dunand教授は話している。

DunandとFermilabの共同研究者は、3Dプリンティングの助けを借りてこれを変えようとしている、チームのプリンティング方法は、より多くの電力を持つ超電導体をプリントし、超電導体を動力源とする発明のコストを下げるのに役立つ。

この研究成果の概要は、Nature Communications誌に掲載された論文「Additively-manufactured Monocrystalline YBCO Superconductor」で紹介されている。Dunandは、UC Berkeleyのポスドク研究員であり、デュナンドの研究室の元学生であるDingchang Zhang(PhD ’24)とともに、この論文の共同責任著者だった。FermilabのPIP-IIプロジェクトマネージャーCristian Boffoも、この研究の共著者。

ブレークスルーのためのブレークスルー
銅酸化物の脆性に制限されないように、研究チームは、一般に3Dプリンティングとして知られている積層造形を使用して、一般的な多結晶超伝導体である単結晶YBCOを首尾良く製造する方法を開発した。

このプロセスを分解すると、最初のステップでは、市販の前駆体粉末を使用してインクを調製する。次に、インクをシリンジに入れて押し出し、YBCOマイクロラティスまたは多結晶である他の複雑な形状を作成する。3Dプリントされた材料は、後に溶融成長法により3Dプリントされた部品上の単結晶になる。

通常、バルク超伝導体は金型プレスによって単純な形で作られる。次に、それらを焼結または加熱し、プレスされた粉末を一緒に融合させる。ここでの研究者たちは、粉末を懸濁させたところにインクを使用し、3Dプリントを適用して、焼結用の複雑なオブジェクトにしました。

また、研究者たちは、材料の粒界を取り除くこともできた。これは、材料の電気伝導率と熱伝導率を低下させる可能性のある結晶構造の小さな欠陥である。これにより、より効果的な超伝導電流が得られた。
「一般に、材料のブロックで単結晶を作っているが、われわれはこれと同じ技術を3Dプリントで使用できることを示した。われわれのプロセスでは、トロイダルコイルのような複雑な形状を作製し、その上に単結晶のシードを載せることができる。制御された処理ウィンドウを通じて、これらの3Dプリントされた部品は部分的に溶けて単結晶に変化し、元の3Dプリントされた形状を保持する」(Zhang)。

「Fermilabでは、今後数十年にわたって科学実験を推進する次世代の超伝導磁石を開発している。このコラボレーションを通じて生み出された技術は、これまで想像もできなかった設計を可能にし、それによってわれわれの進歩の可能性を高める」(Boffo)。

「単結晶の物体は、より多くの電流を流すことができるため、より多くのパワー供給を可能にするので、磁石は非常に強力になる。これにより、FermiLabのような粒子加速器により多くのエネルギーが供給される。より速い粒子は、物理学者にとって新しい発見を解き放つ化膿性がある」(Dunand)。

超可能性
Dunandによると、この研究は、より強力で効率的な超伝導体の始まりに過ぎない可能性を秘めている。今後は、この手法を他のセラミックス超伝導体材料にも応用していく予定である。

「われわれは、最も一般的な超伝導体であるYBCOでこの研究を行ったが、われわれの方法で処理できるよりもさらに高い性能温度を持つ化合物は他にもたくさんある。これの可能なアプリケーションは非常にエキサイティングである」とDunandは、話している。