تا حالا شنیدی سوپرهادی (Superconductor) چیه؟ خب، وسایلی مثل دستگاه MRI یا تجهیزات کوانتومی واسه کار کردن به این سوپر مواد نیاز دارن که می‌تونن برق رو بدون هیچ مقاومتی از خودشون عبور بدن. حالا یه خبر داغ: محقق‌های دانشگاه کورنل یه روش خفن دیگه واسه ساختن این سوپرهادی‌ها با پرینتر سه‌بعدی ابداع کردن که رکوردشکنی کرده!
ماجرا از این قراره که سال‌های سال بود تیمی که لیدرش پروفسور اولریش ویسنر (Ulrich Wiesner) تو بخش علم مواد و مهندسی کورنله، روش کار می‌کردن. تو سال ۲۰۱۶ اونا نشون دادن میشه با مواد نرم هم سوپرهادی ساخت که خیلی خفن بود، ولی حالا با این تکنیک جدیدشون همه چی رو از اول طراحی کردن و باهاش تونستن سوپرهادی‌هایی بسازن که تا حالا کسی نتونسته.
این دفعه جوری برنامه‌ریزی کردن که کل فرایند تو یه مرحله و با پرینت سه‌بعدی انجام میشه، درست عین شعبده‌بازی! واسه این کار، یه جوهر خاص ساختن که ترکیبیه از کوپلیمرها (یعنی زنجیره‌هایی از پلیمرای مختلف که با هم قاطی شدن و می‌تونن شکل‌های مختلف بسازن) و نانوذرات غیرآلی. وقتی این جوهر رو با پرینتر سه‌بعدی شکل میدن، خودش طی فرایند “اسمبل شدن خودبه‌خود” به ساختار منظم درمیاد. بعدشم با یه مقدار گرما دادن، ساختار چاپ‌شده تبدیل به یه سوپرهادی متخلخل و بلوری میشه.
حالا چرا این روش خاصه؟ روش‌های سنتی ساخت سوپرهادی کلی دردسر داره: اول ماده رو می‌سازی، بعد پودر و بِایندر (یه چیزی مثل چسب بین ذرات)، کلی هم گرم و سردش می‌کنی و مدام مراحل تکراری. ولی این متد کورنلیا همه این مراحل رو با هم یکی کرده. یعنی تو یه «One-pot process» — یعنی همه کارا تو یه قابلمه انجام میشه و مراحل اضافه لازم نداری!
یکی دیگه از خفن‌بازی‌هاش اینه که می‌تونن ساختار سوپرهادی رو تو سه مقیاس، کنترل کنن: از سطح اتمی (شبکه بلوری) تا شبکۀ مزوساختاری (mesostructure که یعنی ساختاری بزرگ‌تر از اتم ولی هنوز ریز)، تا خود شکل سه‌بعدی نهایی، مثلاً چیزی شبیه به سیم‌پیچ (coil) یا مارپیچ (helix).
ولی قشنگ‌ترین بخشش چیه؟ وقتی اومدن سوپرهادی از جنس نیوبیوم نیترید (Niobium Nitride) چاپ کردن، دیدن مقدار میدان مغناطیسی بحرانی (Upper Critical Magnetic Field) رو رسوندن به ۴۰ تا ۵۰ تسلا! 😮 (تسلا واحد میدان مغناطیسیه. واسه مقایسه، میدان مغناطیسی MRI بیمارستان‌ها معمولاً ۳ تا ۷ تسلاست!) یعنی یه جهش اساسی نسبت به گذشته، اونم فقط با بهینه کردن ساختارهای ریز جوهر اولیه. این ویژگی برای دستگاه‌های پزشکی و حتی تجهیزات کوانتومی، خیلی خیلی مهمه.
پروفسور ویسنر خودش گفت: “سالهاست رو این کار داریم جون می‌کنیم! حالا نه تنها می‌تونیم هر شکل سه‌بعدی رو پرینت کنیم، بلکه با این محدودیت‌های مقیاسی، خاصیت‌هایی به سوپرهادی‌ها میدیم که تاحالا اصلاً سابقه نداشت.” حتی یه چیزی که ویسنر کلی براش ذوق کرد این بود که میشه بسته به جرم مولکولی پلیمر، خواص سوپرهادی رو با یه رابطه دقیق پیش‌بینی کرد. یعنی خیلی دانش‌بنیان‌تر از قبل.
تو این پروژه، دانشجوها نقش اصلی داشتن! مثلاً فی یو (Fei Yu) جوهر رو طراحی و تست کرد، پَکستون تتفورد (Paxton Thetford) هم حسابی شیمی پلیمرهای کوچیک رو در اورد. چندتا استاد دیگه از بخش فیزیک و علم مواد، مثل پروفسور ون دوور و پروفسور گرونر هم تو ماجرا بودن.
واسه آینده هم برنامه‌های خفن دارن: قراره سوپرهادی‌ها با جنس‌های مختلف مثل تیتانیوم نیترید رو امتحان کنن و حتی شکل‌های سه‌بعدی عجیب‌تر بسازن که با روش‌های قبلی غیرممکن بود. این ساختار متخلخل باعث میشه سطح تماس مواد بالا بره و به درد تحقیق تو حوزه مواد کوانتومی (Quantum Materials یعنی موادی که خاصیت‌های عجیب مکانیک کوانتومی نشون میدن) و نسل بعد دستگاه‌ها خیلی بخوره.
ویسنر گفت: «خیلی امیدوارم این‌قدر کار رو آسون کنیم که سوپرهادی‌هایی با ویژگی‌های خاص ساختشون برامون راحت بشه.» اشاره کرد که فضای همکاری تو کورنل عالیه و دانشمندای فیزیک، شیمی و مواد کنار هم باعث این موفقیت شدن.
این پروژه از بنیاد ملی علم آمریکا و مرکز تحقیق مواد کورنل حمایت مالی گرفته. بخشی از آزمایش‌ها هم تو مرکز سینکروترون پرانرژی کورنل و آزمایشگاه نیروی هوایی آمریکا انجام شد.
در آخر: مقاله کاملش تو مجله Nature Communications منتشر شده؛ یعنی یک ژورنال علمی معتبر تو دنیا.
منبع: +
