Collaborazione tra Northwestern University e Fermilab
Un gruppo di scienziati della Northwestern University, insieme ai ricercatori del Fermilab, ha messo a punto un procedimento di stampa 3D capace di generare superconduttori ceramici ad alta temperatura con struttura monocristallina. Finora, ottenere tale omogeneità cristallina era possibile soltanto attraverso metodi tradizionali di fusione e ricristallizzazione. Il nuovo approccio integra tecnologia additiva e crescita selettiva per realizzare componenti complessi destinati all’industria dei magneti e degli acceleratori di particelle.
Processo in due fasi per la microstruttura monocristallina
Il primo stadio prevede la stampa di un oggetto in ossido di rame, bario e ittrio (YBCO), materiale noto per le sue proprietà superconduttive a temperature raffreddabili con azoto liquido. Con l’ausilio di un seme monocristallino in ossido di rame, bario e neodimio (NdBCO), il componente viene quindi sottoposto a fusione parziale e a un lento raffreddamento controllato. In questa fase – definita “growth by top-seeded melt” – la ricristallizzazione si propaga uniformemente seguendo l’orientamento del seme, allineando le celle cristalline di tutto il pezzo e conferendo alla struttura caratteristiche quasi monocristalline.
Vantaggi tecnici e applicazioni pratiche
Secondo Cristian Boffo del Fermilab, questa tecnica apre la strada a magneti con prestazioni più elevate e potrebbe rendere possibile la realizzazione di nuove cavità superconduttrici a radiofrequenza. David Dunand della Northwestern University sottolinea come l’impiego di YBCO raffreddato con azoto liquido riduca notevolmente i costi operativi rispetto alle soluzioni che richiedono elio liquido.
Sfide nella stampa di componenti di grandi dimensioni
Per l’impiego negli acceleratori, è necessario produrre parti di dimensioni maggiori mantenendo l’uniformità strutturale. Dingchang Zhang, dottore di ricerca in Northwestern, evidenzia l’incognita relativa alla gestione simultanea di più semi monocristallini: “Non è ancora noto come vari schemi di posizionamento influiscano sulla qualità del superconduttore in volumi estesi.”
Prospettive future
Questo nuovo metodo di stampa 3D introduce la possibilità di fabbricare componenti superconduttori di grandi dimensioni, efficienti e personalizzabili in forme complesse. Le prossime ricerche si concentreranno su strategie per impiegare più semi di NdBCO all’interno dello stesso pezzo, in modo da ampliare ulteriormente i volumi cristallini monocristallini ottenibili.
