ノースウェスタン大学の研究者がYBCO超伝導体を3Dプリント

2025年2月26日、アンタークティックベアは、ノースウェスタン大学マコーミック工学部の材料科学および工学教授であるデビッド・デュナンド氏とフェルミ国立加速器研究所のチームが、セラミックスラリー材料押し出し（MEX）3Dプリントプロセスを使用してYBCO超伝導体を製造することに成功したことを知りました。セラミック超伝導材料は優れた特性を持っていますが、その固有の脆さが常にボトルネックとなり、より高度な超伝導体の開発を妨げてきました。David Dunand 氏のチームはこの制限を打破し、より強力な YBCO 超伝導体の製造に成功しました。これにより、超伝導装置のコスト削減に貢献します。

研究の背景と意義

チームの研究は、「付加的に製造された単結晶YBCO超伝導体」と題された論文としてNature Communicationsに掲載されました。デュナンド氏は、同氏の研究室の元学生でカリフォルニア大学バークレー校のポスドク研究員ディンチャン・チャン氏とともに、この論文の共同責任著者である。フェルミ国立加速器研究所PIP-IIプロジェクトマネージャーのクリスチャン・ボッフォ氏もこの研究に参加した。

デイビッド・デュナン教授は次のように述べた。「セラミックベースの銅酸化物は、一般的な高温超伝導体です。液体窒素を使用して動作させることができるため、低温金属超伝導体よりもはるかに安価で使いやすいです。しかし、これらの材料は脆いため、製造できる形状が制限されていました。」銅酸化物の脆さによる制限を回避するために、研究チームは、一般的な多結晶超伝導体である単結晶YBCOを製造するために、積層造形技術をうまく使用する方法を開発した。イットリウムバリウム銅酸化物 (YBCO) は、高温超伝導性を持つ結晶化合物のグループです。液体窒素の沸点を超える温度で超伝導性を実現した最初の材料です。

△ YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211) の 3D インク印刷 (緑色の状態)、焼結、単結晶成長後のマイクロ格子の写真。
b 焼結およびトップシード溶融成長後の 3D プリント格子の断面の SEM-BSE 顕微鏡写真。溶融物による気孔の効果的な除去を示しています。挿入図は、Y123 マトリックス内の Y211 および BaCeO3 粒子を示しています。
単結晶成長後の 3D プリント格子の上面と下面の c XRD スペクトル。両方の表面が単一の c 軸配向を持っていることを示しています。
d 高倍率逆極点図（IPF、左）と相図（右）。Y123相（灰色）中のY211相（緑）の分布を示しています。
e 3D プリントされた格子の側面の完全な垂直断面のステッチされた IPF マップ。Y123 の立方バージョンを使用してインデックス付けされ、結晶の方向 (単結晶) を示しています。
f 単結晶成長中の収束面（破線でマーク）における Y211 濃度（円でマーク）の分布を示す拡大 SEM-BSE 顕微鏡写真。

革新的なプロセス

研究チームによって開発されたプロセスには、次のステップが含まれます。

● 市販の前駆体粉末を使用したインクの調製。
● インクを注射器に充填して、YBCO マイクロラティスやその他の複雑な多結晶構造を作成します。
● 溶融成長法を使用して、3D プリントされた材料が印刷された部分上に単結晶を形成します。

従来、バルク超伝導体は通常、金型でプレスし、その後焼結、つまり加熱してプレスされた粉末を融合するという単純な方法で製造されます。研究者らは、YBCO粉末を含むインク（スラリー）を革新的に使用し、焼結のための3D印刷技術を通じて複雑な物体を製造しました。研究者らは、材料の電気伝導性と熱伝導性を低下させる結晶構造内の小さな欠陥である粒界を除去することに成功した。この画期的な進歩により、超伝導電流の効率が向上します。

△ 3D プリントされた多結晶および単結晶の物体は複雑な構造を持っています。
a 3DプリントされたYBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)水平コイルリングの写真。印刷（緑色の状態）、焼結、単結晶の成長（種子には「S」というラベルが付いています）、基板の除去、77 K（LN2：液体窒素）での吊り下げが含まれています。基板を取り除いた後のサンプルの横には、側面図からの IPF および位相画像と上面図からの IPF 画像が表示されます。永続的な磁場/電流の導入後、生成された磁場の時間変化が最大 1000 秒まで表示されます。
b 3D プリント、焼結、単結晶化、吊り下げチューブの写真。種子表面の SEM-BSE 顕微鏡写真を示します。外部から印加された磁場の関数として磁場を測定すると、チューブ内の磁場の状態がわかります。
c 3D プリント、焼結、単結晶化（基板除去）、吊り下げられたトロイダルコイルの写真。種子表面の SEM-BSE 顕微鏡写真を示します。断面の SEM-BSE 顕微鏡写真と IPF 画像では、個々のインク堆積ラインが互いに融合し、高密度化していることが示されています。印刷パスについても説明します。
d 3D プリントされた緑色のプレートの写真と緑色の格子リボンの概略図。以降の写真は、折り紙折り、焼結（単結晶成長なし）、および懸濁後のボート、飛行機、および格子リボンを示しています。

応募の見通し

「すでにバルク材料で単結晶が作られており、私たちはこの技術を3Dプリンティングと組み合わせて使用できることを実証しました」とディンチャン・チャンは述べています。「私たちのプロセスでは、単結晶の種を上に置いたトロイダルコイルなどの複雑な形状を作ることができます。これらの3Dプリント部品は、制御されたプロセスウィンドウを通じて部分的に溶融され、元の3Dプリント形状を維持しながら単結晶に変換されます。」

クリスティアン・ボッフォ氏：「フェルミ国立加速器研究所では、今後数十年にわたって科学実験の原動力となる次世代の超伝導磁石を開発しています。この共同研究を通じて開発された技術により、これまで想像もできなかった設計が可能になり、私たちの可能性がさらに広がります。」

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