ノースウェスタン大学とフェルミ国立加速器研究所の3Dプリント技術により、単結晶YBCO超伝導体の高性能で複雑な設計が可能に

2025年3月4日、アンタークティックベアは、ノースウェスタン大学とフェルミ国立加速器研究所の研究者が、複雑なデザインの単結晶イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）超伝導体を製造できる革新的な3Dプリント方法の開発に成功したことを知りました。

△関連する研究成果は、最近Nature Communications誌に「単結晶YBCO超伝導体の付加製造」と題して掲載されました（ポータル）
YBCO は、医療用画像診断、エネルギー研究、磁気浮上輸送に広く使用されている高性能超伝導材料です。しかし、従来の単結晶YBCO超伝導体は脆いため、成形時に円筒やブロックなどの単純な形状に制限されていました。既存の 3D 印刷技術では複雑な形状の多結晶 YBCO 超伝導体を製造できますが、その粒界は弱いため、電流容量が制限されます。

この課題に対処するため、ノースウェスタン大学とフェルミ国立加速器研究所の研究者らは、独自の2段階プロセスを開発しました。このプロセスでは、まず 3D 印刷技術を使用して多結晶 YBCO を生成し、次に材料の優れた電気特性と複雑な幾何学的設計機能を維持しながら、洗練された後処理ステップでこれらの多結晶材料を単結晶に変換します。

△写真は直径250μmのノズルを使用して下から上に向かって層ごとに印刷したトロイダルコイルを示しています
多結晶から単結晶の精密まで

この新しいプロセスでは、まず3Dプリント技術を使用して、酸化イットリウム（Y₂O₃）、炭酸バリウム（BaCO₃）、酸化銅（CuO）を含む特殊なインクを250μmのノズルから押し出し、微細構造を形成します。溶媒が蒸発するにつれて、構造強度が徐々に増加します。その後、1000℃で20時間焼結することで、材料は高密度の多結晶YBCO超伝導体へと変化しました。

重要な第 2 段階では、69% のイットリウムバリウム銅酸化物 (Y123)、30% のグリーン相 Y211、および 1% の酸化セリウムを導入し、2 回目の熱処理を行って 1090°C の温度に到達します。この段階で、NdBCO 種結晶が構造の上部に配置されます。毎時 0.5 K の速度で制御された冷却により、材料は単一の結晶形態に再編成され、電流の流れを妨げる粒界が排除されました。

テストによれば、77K（液体窒素温度）では、単結晶バージョンの電流容量は多結晶バージョンの 66 倍になります。 10K では電流容量が 180 倍に増加します。処理中に微量の不純物が導入されたにもかかわらず、動作温度は理論上の 93 K よりわずかに低い 88 ～ 89.5 K に維持されました。

△複雑な構造を持つ多結晶・単結晶物体の3Dプリント。高温超伝導体の加工においては、極めて高温の液体相で崩壊したり変形したりしやすいことが大きな問題となっている。しかし、研究者らは、Y₂BaCuO₅（Y211）粒子が、構造の崩壊やたるみを防ぐ内蔵の安定化フレームワークとして機能することを発見しました。パーコレーション理論は、固体粒子のネットワークが、物質の一部が液化しても物質の完全性を維持できる仕組みを説明します。

この方法の実用性を実証するために、研究チームは、吊り下げ式トロイダルコイル、磁気シールドチューブ、折り紙デザインなど、いくつかの複雑な超伝導構造を 3D プリントしました。これらの構造は、従来の単結晶成長技術を使用して製造することはほぼ不可能です。潜在的な用途としては、粒子加速器、シンクロトロンアンジュレータ、暗黒物質アクシオン探索用のマイクロ波空洞などが挙げられます。

新しいプロセスは大きな進歩を遂げましたが、結晶の配向ずれの小さな領域、局所的な多孔性領域、酸化プロセス中に形成される微小亀裂など、いくつかの小さな欠陥がまだ存在しています。機械的特性や超伝導特性に悪影響を及ぼすこれらの亀裂は、銀を添加することで軽減できます。今後の研究ではこのアプローチを検討する予定です。

最後に、研究者らは、この研究は超伝導体に限定されないと指摘している。同じ原理は圧電材料、熱電材料、光起電材料、有機半導体材料にも適用でき、エネルギー収集、エレクトロニクス、先端材料開発における新たな可能性を切り開きます。

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