科學(xué)家們正研究金屬3D打印部件的超導(dǎo)屬性

      在當(dāng)下的3D打印行業(yè)中，金屬3D打印技術(shù)可以說是一個熱門領(lǐng)域，在醫(yī)療、航空航天、汽車等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，其市場正在快速增長。實際上，在這里金屬3D打印只是一個統(tǒng)稱，下面有多種不同的技術(shù)，不過其中大部分都是依靠計算機(jī)控制激光或電子束來融化或燒結(jié)金屬粉末。迄今為止，研究人員們對于金屬3D打印部件的機(jī)械性能已經(jīng)有了大量的研究，但是對于它們的電氣性能投入的注意力反而不夠。

日前，在《Applied Physics Letters》雜志封面上出現(xiàn)了一篇論文，在這篇論文中，來自墨爾本大學(xué)（University of Melbourne）和澳大利亞西部大學(xué)（University of Western Australia）的研究團(tuán)隊使用一種鋁硅合金（Al-12Si）3D打印了一個微波諧振腔�？茖W(xué)家們說，在將這個部件冷卻到鋁的臨界溫度（1.2 Kelvin）以下時，它就表現(xiàn)出了超導(dǎo)性。

科學(xué)家們3D打印的諧振腔樣品

“電導(dǎo)率是衡量電流通過一種材料的容易程度的，而超導(dǎo)性指的是某些材料所具備的在低溫下失去電阻的特性�！卑拇罄麃單鞑看髮W(xué)工程量子系統(tǒng)研究中心主任教授 Michael Tobar解釋說。

超導(dǎo)腔在物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用——從量子物理學(xué)到粒子加速器等。但是如今超導(dǎo)諧振腔的設(shè)計正在變得越來越復(fù)雜，往往涉及到非標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀和諧振器陣列，這就使得傳統(tǒng)的加工工藝面臨著極大的挑戰(zhàn)。

所以，在澳大利亞西部大學(xué)有兩個科研團(tuán)隊——一個由材料與3D打印專家Tim Sercombe教授領(lǐng)導(dǎo)，另一個則由工程量子系統(tǒng)和超導(dǎo)腔設(shè)計專家Tobar帶領(lǐng)——結(jié)合他們各自的專業(yè)知識發(fā)起了一項試點(diǎn)研究，來探索3D打印部件的超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)。

“超導(dǎo)物理很好理解，幾十年前人們就知道鋁具有超導(dǎo)性。”Tobar說：“但是3D打印工藝使用的鋁十分不純，而且它經(jīng)歷了幾個過程——霧化、激光熔化、爐內(nèi)退火等。所以我們想對一系列已知的超導(dǎo)金屬進(jìn)行一下研究，看看這些金屬在3D打印后能否保留其電性能�！�

比如一種被稱為“選擇性激光熔融（SLM）”的金屬3D打印技術(shù)往往會制造出具有非常小顆粒的成品材料，而許多金屬，其表現(xiàn)出超導(dǎo)性的臨界溫度往往跟其顆粒尺寸相關(guān)性非常大。

“比如鑭、鉬、鈮這些材料都有不同的反應(yīng)。”Tobar說：“我們所觀察到的顆粒尺寸既可能降低臨界溫度，也可能升高臨界溫度。具有高臨界溫度的超導(dǎo)體尤其有趣，所以該3D打印工藝在減少顆粒尺寸方面可能會有一些優(yōu)勢。另外，SLM工藝還能夠幫我們快速測量具有不同元素比例的新型合金�！�

除了測量超導(dǎo)性之外，研究團(tuán)隊還想看看他們是否能夠用這種技術(shù)制造出可能有用的東西，所以他們決定3D打印微波諧振腔。

“使用一種叫做“矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀”的裝置，我們激活了腔內(nèi)微波頻率共振的電磁模式，并測量其質(zhì)量因子（又名Q）。這是一個測量將微波注入諧振腔后它能夠存在多長時間的指標(biāo)。它直接與諧振腔壁的表面電阻有關(guān)�！彼�解釋說。

通過對Q因子的測量，研究者們能夠間接地確定電阻。而結(jié)果顯示材料在1.2Kelvin的條件下具有超導(dǎo)性。

這一結(jié)果"令人吃驚，因為該合金當(dāng)中存在大量非超導(dǎo)性的硅”。Tobar指出：“它可能會為打印全新腔結(jié)構(gòu)帶來新的可能性。

而且，研究團(tuán)隊的這一成果有很大的現(xiàn)實應(yīng)用價值——人們現(xiàn)在可以根據(jù)這一結(jié)果打造各種部件。

“因為超導(dǎo)體驅(qū)逐磁場，我們可以為實驗打印磁屏蔽�！盩obar說：“此外，任何需要Q因子的值在100萬左右的腔實驗均可從該技術(shù)中受益。”

而對于那些需要清晰得多的線寬和高Q因子值得技術(shù)，據(jù)Tobar稱，高純度的鈮粉可能是理想的起始材料。

“由于對于3D打印超導(dǎo)體的科技文獻(xiàn)較少，所以我們必須做進(jìn)一步的研究以確定更加合適的材料，以及如何提高零部件的表面光潔度和性能——比如是否可能通過熱處理或化學(xué)拋光/蝕刻等�！彼�補(bǔ)充說

下一步？科學(xué)家們想要嘗試用高純度鈮粉3D打印超導(dǎo)腔。

“鈮是*的材料，在超導(dǎo)腔中使用得很廣泛�！盩obar說：“我們預(yù)計把非常純的鈮金屬粉末用于SLM工藝能獲得很好的效果。”