De acordo com a Universidade Cornell, pesquisadores desenvolveram um método de impressão 3D de uma etapa que produz supercondutores com propriedades recordes — quase uma década depois de terem demonstrado pela primeira vez que materiais macios poderiam orientar a formação de supercondutores.
O avanço, detalhado na Nature Communications, baseia-se em anos de trabalho interdisciplinar liderado por Ulrich Wiesner, professor Spencer T. Olin no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e pode melhorar tecnologias como ímãs supercondutores e dispositivos quânticos.
Em 2016, Wiesner e colegas relataram o primeiro supercondutor automontado utilizando copolímeros em bloco – moléculas macias, em forma de cadeia, que se organizam naturalmente em estruturas nanométricas ordenadas e repetitivas. Em 2021, o grupo descobriu que essas abordagens com materiais macios poderiam produzir propriedades supercondutoras equivalentes às dos métodos convencionais.
O novo estudo produz propriedades aprimoradas usando uma tinta de copolímero-nanopartícula inorgânica que se automonta durante a impressão 3D; tratamentos térmicos convertem o material impresso em um supercondutor cristalino poroso. A abordagem representa um grande avanço em relação aos métodos tradicionais de impressão 3D de materiais porosos, que frequentemente envolvem a síntese de materiais porosos separadamente, a conversão em pós, a mistura com ligantes e o reprocessamento por meio de tratamentos térmicos.
O processo escalável e “one-pot” da Cornell ignora diversas dessas etapas para criar materiais supercondutores com estruturas em três escalas diferentes: na escala atômica, os átomos se alinham em uma rede cristalina; a automontagem do copolímero em bloco direciona a formação de redes mesoestruturadas; e a impressão 3D leva a redes macroscópicas, incluindo bobinas ou hélices para diferentes aplicações.
“Isso levou muito tempo para ser feito”, disse Wiesner, que também é professor do Departamento de Tecnologia de Design. “O que este artigo mostra é que não só podemos imprimir essas formas complexas, como o confinamento em mesoescala confere aos materiais propriedades que simplesmente não eram possíveis antes.”
O resultado mais impressionante do estudo veio quando os pesquisadores imprimiram um material de nitreto de nióbio. Graças à sua porosidade nanoestruturada, o supercondutor impresso em 3D apresentou um campo magnético crítico superior de 40 a 50 Tesla, o maior valor induzido por confinamento já relatado para este supercondutor composto. Essa propriedade é fundamental para o funcionamento em ímãs supercondutores fortes, como os usados em imagens de ressonância magnética.
“Mapeamos essa propriedade supercondutora em um parâmetro de projeto macromolecular que entra na síntese do material. Isso é algo que ninguém havia demonstrado antes”, disse Wiesner. “O mapeamento nos diz qual massa molar do polímero é necessária para atingir um desempenho supercondutor específico, uma correlação notável.”
O trabalho foi viabilizado pelos alunos de pós-graduação Fei Yu, que desenvolveu e testou as tintas de impressão, e Paxton Thetford, que solucionou a química do trabalho com copolímeros em blocos excepcionalmente pequenos. Contribuições importantes também vieram de Bruce van Dover, Professor Walter S. Carpenter Jr. no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais; assim como de Sol Gruner, professor emérito, e Julia Thom-Levy, professora e chefe, ambos do Departamento de Física da Faculdade de Artes e Ciências.
Olhando para o futuro, os pesquisadores esperam explorar compostos supercondutores alternativos. O estudo destacou que o método pode ser aplicado a outros compostos de metais de transição, como nitreto de titânio, e a estruturas tridimensionais difíceis de serem obtidas com processos convencionais. E a arquitetura porosa produz áreas de superfície recordes para compostos supercondutores, o que pode ser valioso para o projeto de materiais quânticos da próxima geração.
“Estou muito esperançoso de que, como uma nova direção de pesquisa, tornaremos cada vez mais fácil a criação de supercondutores com propriedades inovadoras”, disse Wiesner. “Cornell é única em reunir químicos, físicos e cientistas de materiais para impulsionar esse campo. Este estudo demonstra o quanto há de potencial nas abordagens de matéria mole para materiais quânticos.”
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e foi possibilitada em parte pelo Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Cornell, juntamente com a linha de luz FMB na Fonte Síncrotron de Alta Energia da Cornell, patrocinada pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea. Para saber mais sobre a pesquisa, acesse o site.
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