康奈尔大学一锅法3D打印高性能氮化铌超导体，创下50特斯拉临界磁场新纪录

2025年9月1日，美国康奈尔大学宣称，研究人员已经实现了一种一步法3D打印方法，可以生产出具有创纪录特性的超导体。该研究由材料科学与工程系Spencer T. Olin教授Ulrich Wiesner领导的团队历经多年跨学科工作完成，这一进展有望推动超导磁体和量子器件等技术的改进。
 

设计技术系教授威斯纳说道：“这项工作已经酝酿了很长时间。这篇论文表明，我们不仅可以打印这些复杂的形状，而且中观尺度的限制还能赋予材料以前根本无法实现的特性。”
 

一步法3D打印超导材料

距据康奈尔大学首次证实软材料可引导超导体形成已近十年。2016年，Wiesner以及同事报道了首个利用嵌段共聚物（一种柔软的链状分子，可以自然排列成有序、重复的纳米级结构）制备的自组装超导体。到2021年，研究团队发现，这些软材料方法可以产生与传统方法相当的超导性能。
 

这项新研究利用一种在3D打印过程中自组装的共聚物-无机纳米颗粒墨水，增强了材料的性能；随后，通过热处理，打印材料转化为多孔晶体超导体。这种方法与传统的多孔材料3D打印方法截然不同，传统的多孔材料3D打印方法通常需要单独合成多孔材料，将它转化为粉末，与粘合剂混合，然后通过热处理进行再加工。

康奈尔大学的可扩展“一锅法”工艺跳过了许多步骤，从而创建了具有三个不同尺度结构的超导材料：在原子尺度上，原子排列成晶格；嵌段共聚物自组装指导介观结构晶格的形成；3D 打印可产生宏观晶格，包括用于不同应用的线圈或螺旋。
 

3D打印超导体创下50特斯拉临界磁场新纪录
      这项研究最引人注目的成果来自于研究人员打印了一种氮化铌材料。得益于纳米结构的孔隙率，这种3D打印超导体显示出40至50特斯拉的上临界磁场，这是迄今为止报道过的此类复合超导体的最高约束诱导值。这一特性对于强超导磁体（例如用于MRI成像的磁体）的正常工作至关重要。
     Wiesner说道：“我们将这种超导特性映射到材料合成过程中所需的大分子设计参数上。这是以前从未有人展示过的。这张图告诉我们，需要哪种聚合物的摩尔质量才能达到特定的超导性能，这是一种显著的相关性。”这项工作由研究生Fei Yu（负责开发和测试印刷油墨）和Paxton Thetford（负责解决处理异常小嵌段共聚物的化学问题）共同促成。此外，材料科学与工程系Walter S. Carpenter Jr.教授Bruce van Dover、文理学院物理系名誉教授Sol Gruner和教授兼系主任Julia Thom-Levy也做出了重要贡献。
 

      Wiesner补充道：“我非常希望，作为一个全新的研究方向，我们能够越来越轻松地创造具有新特性的超导体。康奈尔大学的独特之处在于，它汇集了化学家、物理学家和材料科学家，共同推动这一领域的发展。这项研究证明了软物质方法在量子材料领域的应用潜力巨大。”
     展望未来，研究人员希望探索替代性的超导化合物。研究强调，该方法可应用于其它过渡金属化合物，例如氮化钛，以及传统工艺难以实现的三维结构。多孔结构为化合物超导体创造了创纪录的表面积，这可能对设计下一代量子材料具有重要意义。
    这项研究得到了美国国家科学基金会的支持，部分得益于康奈尔大学材料研究科学与工程中心以及康奈尔高能同步加速器源的FMB光束线，由空军研究实验室赞助。