Yumuşak malzemelerin süperiletkenlerin oluşumuna rehberlik edebileceğini ilk kez gösterdikten yaklaşık on yıl sonra, Cornell araştırmacıları rekor özelliklere sahip süperiletkenler üreten tek adımlı, üç boyutlu bir baskı yöntemi geliştirdi.
Nature Communications’da ayrıntıları yayımlanan bu gelişme, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde Spencer T. Olin Profesörü olan Ulrich Wiesner liderliğinde yıllardır süren disiplinlerarası çalışmalara dayanıyor. Yöntemin, süperiletken mıknatıslar ve kuantum cihazları gibi birçok alanda teknolojik ilerlemelere kapı açabileceği belirtiliyor.
YUMUŞAK MALZEME YAKLAŞIMI
Wiesner ve ekibi 2016’da, blok kopolimerler adı verilen zincir benzeri molekülleri kullanarak ilk kendiliğinden birleşen süperiletkeni geliştirmişti. 2021’de ise bu yumuşak malzeme yaklaşımlarının, geleneksel yöntemlerle üretilen süperiletkenlerle eşdeğer özellikler sağlayabileceği ortaya kondu.
Yeni çalışmada, araştırmacılar 3D baskı sırasında kendi kendine birleşen bir kopolimer-inorganik nanopartikül mürekkebi kullandı. Ardından uygulanan ısıl işlemler, basılan malzemeyi gözenekli kristal süperiletkenlere dönüştürdü. Bu yaklaşım, geleneksel yöntemlerdeki çok adımlı sentez ve yeniden işleme süreçlerinden önemli ölçüde farklılık gösteriyor.
TEK KAP YÖNTEMİ
Cornell’in ölçeklenebilir ‘tek kap’ süreci, atomik, mezoskopik ve makroskobik ölçekte yapılar oluşturabiliyor. Atomlar kristal kafesler halinde sıralanırken, blok kopolimer öz montajı mezoyapılı kafeslere, 3D baskı ise bobin veya sarmal gibi uygulamaya uygun makro yapılara dönüşüyor.
Profesör Wiesner, “Bu makale yalnızca karmaşık şekilleri basabildiğimizi değil, aynı zamanda mezoskala sınırlamanın malzemelere daha önce elde edilemeyen özellikler kazandırdığını gösteriyor” değerlendirmesini yaptı.
REKOR MANYETİK ALAN
Çalışmanın en çarpıcı sonucu, nanoyapılı gözenekli yapısıyla öne çıkan niyobyum nitrür süperiletkenin üretilmesi oldu. 3D yazdırılan bu süperiletken, 40 ila 50 Tesla aralığında üst kritik manyetik alan göstererek, bu bileşik için şimdiye kadar rapor edilen en yüksek değere ulaştı.
Wiesner, bu özelliğin MRI görüntüleme gibi güçlü süperiletken mıknatısların geliştirilmesinde kritik önem taşıdığını vurguladı. Ayrıca, “Belirli bir süperiletken performansı elde etmek için gerekli polimer mol kütlesini haritaladık. Bu, daha önce kimsenin göstermediği dikkate değer bir korelasyon” ifadesini kullandı.
DİSİPLİNLERARASI KATKI
Çalışma, baskı mürekkeplerini geliştiren lisansüstü öğrenciler Fei Yu ve Paxton Thetford’un katkılarıyla mümkün oldu. Ayrıca, Bruce van Dover, Sol Gruner ve Julia Thom-Levy gibi isimler de sürece destek verdi.
Araştırmacılar gelecekte, yöntemin titanyum nitrür gibi diğer geçiş metali bileşiklerine uygulanabileceğini, zor elde edilen 3D yapılara uyarlanabileceğini ve kuantum malzemeler için yeni ufuklar açabileceğini ifade etti.
YENİ UFUKLAR AÇIYOR
Gözenekli yapıların sağladığı rekor yüzey alanları, bileşik süperiletkenlerde yeni nesil kuantum cihazlarının tasarımını mümkün kılabilir. Wiesner, “Cornell, kimyagerleri, fizikçileri ve malzeme bilimcilerini bir araya getirerek bu alanı ileriye taşıma konusunda benzersiz. Bu çalışma, yumuşak madde yaklaşımlarının kuantum malzemeler için ne kadar büyük potansiyel sunduğunu gösteriyor” dedi.
