Financiamento do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, do Departamento de Energia dos EUA, permitiu que pesquisadores da Universidade Northwestern e do Fermilab inventassem um novo processo para impressão 3D de supercondutores de alta temperatura. Este método é o primeiro a fabricar supercondutores cerâmicos impressos em 3D com microestrutura monocristalina e atualmente aguarda aprovação de patente nos EUA. O artigo foi publicado na Nature Communications.
Supercondutores são um tipo especial de material que pode conduzir eletricidade com resistência zero, mas apenas em temperaturas extremamente baixas. Supercondutores de alta temperatura são únicos porque operam em temperaturas maiores do que os supercondutores tradicionais, o que os torna mais práticos para aplicações.
Cristian Boffo, coautor do artigo, garantiu financiamento para o projeto por meio do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do Fermilab. Boffo é o diretor do Plano de Melhoria de Prótons-II, um projeto que visa construir um acelerador linear supercondutor de última geração no Fermilab.
A Boffo recebeu financiamento do LDRD para desenvolver ímãs avançados chamados onduladores supercondutores, em linha com as atividades planejadas pela Diretoria de Física Aplicada e Tecnologia de Supercondutores do Fermilab. Um dos objetivos do projeto é explorar novas tecnologias que possam revolucionar o design e a fabricação de onduladores supercondutores por meio da introdução de supercondutores de alta temperatura e da impressão 3D.
“O Fermilab quer desenvolver sistemas magnéticos cada vez melhores, mais eficientes e com desempenho superior”, disse Boffo. “A Northwestern oferece experiência em impressão 3D, e nós oferecemos experiência em supercondutores.”
Supercondutores de alta temperatura
Quando a eletricidade flui através de um material em temperaturas normais, sempre haverá alguma perda de energia devido à resistência. Há mais de 100 anos, cientistas descobriram o fenômeno da supercondutividade: quando reduzidos a temperaturas próximas do zero absoluto – 273 graus Celsius negativos – os materiais perdem resistência elétrica, permitindo que a eletricidade se mova através deles com extrema eficiência. Isso requer refrigerantes caros e difíceis de manusear, como o hélio líquido.
Na década de 1980, cientistas descobriram supercondutores de alta temperatura que operariam a uma temperatura crítica mais alta – embora ainda fria – de -196 graus Celsius. Trata-se principalmente de materiais cerâmicos, frequentemente 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 resfriar a estrutura até que ela se torne supercondutora”, disse David Dunand, professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Northwestern que realizou a pesquisa.
Atualmente, os usos tecnológicos da supercondutividade variam de geradores de energia com baixas perdas a motores elétricos, de tecnologia de imagens médicas a trens de levitação magnética, rápidos e silenciosos. Mas a necessidade de frio extremo dos supercondutores limita sua utilidade, portanto, o desenvolvimento de supercondutores de alta temperatura é vital para o avanço das aplicações cotidianas. E na física, os supercondutores de alta temperatura são especialmente vantajosos porque retêm sua supercondutividade em campos magnéticos mais elevados do que os materiais supercondutores tradicionais.
Policristais para monocristais
Para imprimir cerâmicas supercondutoras em 3D, os cientistas começam com um “pó precursor“: uma mistura finamente moída de compostos químicos. Eles combinam o pó com um aglutinante para criar uma pasta imprimível, que pode então ser extrudada por uma impressora 3D para construir uma estrutura, camada por camada – como a técnica de bobina na fabricação de cerâmica. A estrutura é então aquecida e cozida em um forno, um processo de alta temperatura conhecido como sinterização.
A peça resultante possui uma microestrutura policristalina, mas isso não é ideal para criar ou aprisionar um campo magnético forte. Um supercondutor monocristalino teria propriedades muito melhores para potenciais usos na física de aceleradores, mas não pode ser fabricado por impressão 3D em pó.
Então Dunand e seu aluno de pós-graduação Dingchang Zhang procuraram demonstrar, pela primeira vez, uma maneira de combinar as propriedades físicas superiores de um supercondutor monocristalino com a arquitetura complexa de uma estrutura policristalina impressa em 3D.
O novo artigo descreve seu método bem-sucedido. Eles imprimem em 3D um supercondutor policristalino cerâmico usando uma mistura de pó precursor comum chamada óxido de cobre, bário e ítrio, ou YBCO. Uma vez sinterizado, os pesquisadores colocam uma semente monocristalina feita de um material supercondutor diferente, óxido de cobre, bário e neodímio, ou NdBCO, por cima.
Eles então iniciam um processo chamado crescimento por fusão com semente superior: aquecendo a estrutura impressa para que ela derreta parcialmente, preenchendo buracos ou poros na microestrutura impressa em 3D, tornando-a mais robusta. Os pesquisadores então resfriam a estrutura muito lentamente para que ela se solidifique novamente com a mesma orientação cristalográfica da semente. A peça final mantém sua forma original impressa em 3D, agora com uma estrutura monocristalina mais forte.
Dunand e Zhang usaram seu método primeiro com uma forma de micro-rede impressa em 3D e, em seguida, avançaram para formas mais complexas. Descobriram que podiam usar uma única semente para fabricar peças supercondutoras de até 10 centímetros de diâmetro. Usaram o método para imprimir em 3D uma folha de material supercondutor que Zhang dobrou no formato de um pequeno avião de papel, demonstrando que supercondutores impressos em 3D podem ser moldados em formas complexas com cantos afiados.
No futuro, eles esperam investigar métodos de múltiplas sementes — diferentes do método policristalino — nos quais esperam produzir pedaços maiores usando muitas sementes separadas de cristal único.
“Se quisermos usá-lo em aceleradores, precisamos imprimir peças maiores”, disse Zhang, que concluiu seu doutorado na Northwestern em agosto de 2024. “Se quisermos obter peças maiores, como posicionaremos as sementes? Se isso causará outros problemas, não sabemos.”
Dunand disse que seu método “deu um grande passo à frente” ao mostrar que é possível criar supercondutores monocristais com formas complexas. Eles esperam que isso também inspire novas pesquisas sobre impressão 3D de cerâmicas monocristalinas.
“Acho que é altamente escalável”, disse Dunand. Se eles conseguissem fazer isso em seu laboratório na Northwestern, Dunand disse que acredita que poderia ser replicado em muitos outros cenários.
“Essa nova tecnologia permitirá novos designs de ímãs, levando a desempenhos mais elevados e, potencialmente, até mesmo a produção de uma nova geração de cavidades de radiofrequência supercondutoras”, disse Boffo. “Acho que foi uma colaboração muito bem-sucedida.”
O Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi é o principal laboratório nacional dos Estados Unidos para física de partículas e pesquisa de aceleradores. O Fermi Forward Discovery Group gerencia o Fermilab para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. Para saber mais sobre os supercondutores acesse o site.
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