Nuova ricerca sulla stampa 3D di superconduttori alla Northwestern University

Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria della Northwestern University, in collaborazione con il Fermi National Accelerator Laboratory, ha sviluppato un metodo per stampare in 3D superconduttori a singolo cristallo a base di ittrio-bario-rame-ossido (YBCO).

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, affronta una delle principali sfide legate ai materiali superconduttori: mantenere le proprietà elettriche ottimali delle strutture a singolo cristallo, consentendo al contempo la realizzazione di design complessi e funzionali.

Superconduttori: vantaggi e limiti delle tecnologie attuali

I materiali superconduttori, come YBCO, trovano impiego in molte applicazioni avanzate, tra cui macchine per risonanza magnetica (MRI), sistemi di risonanza magnetica nucleare (NMR), progetti di fusione nucleare e trasporti a levitazione magnetica (maglev). Tuttavia, la loro produzione presenta alcune difficoltà.

Le versioni più performanti, caratterizzate da una struttura a singolo cristallo, sono fragili e difficili da modellare, il che limita la loro fabbricazione a forme semplici come cilindri o blocchi. Le varianti policristalline, più facili da stampare in 3D, presentano invece giunzioni tra i grani che riducono la capacità di trasportare corrente.

Per superare questo ostacolo, il team di ricerca ha sviluppato un processo in due fasi che consente di stampare inizialmente un materiale policristallino e successivamente trasformarlo in un singolo cristallo, mantenendo sia le proprietà superconduttive che la complessità del design.

Dal policristallino al cristallo singolo: il processo di fabbricazione

Il metodo prevede l’uso di un inchiostro speciale, composto da ossido di ittrio (Y₂O₃), carbonato di bario (BaCO₃) e ossido di rame (CuO). Il materiale viene estruso attraverso un ugello da 250 μm, formando strutture dettagliate che acquisiscono solidità man mano che il solvente evapora.

Successivamente, un trattamento termico a 1000°C per 20 ore trasforma il materiale in un superconduttore YBCO policristallino.

La fase successiva è determinante per ottenere la struttura a singolo cristallo. La composizione del materiale viene modificata con 69% YBCO (Y123), 30% YBCO (Y211, fase verde) e 1% di ossido di cerio, seguito da un nuovo trattamento termico che porta la temperatura a 1090°C. Durante il raffreddamento controllato, un seme cristallino di neodimio-bario-rame-ossido (NdBCO) viene posizionato sulla parte superiore del campione. Il raffreddamento avviene a un tasso di 0,5 Kelvin all’ora, permettendo la riorganizzazione del materiale in una struttura a singolo cristallo ed eliminando i confini di grano che ostacolavano il passaggio della corrente.

Prestazioni migliorate rispetto alle versioni policristalline

I test condotti hanno dimostrato che la versione a singolo cristallo del superconduttore trasporta 66 volte più corrente rispetto alla variante policristallina a 77K (temperatura dell’azoto liquido). A 10K, la capacità di trasporto di corrente aumenta fino a 180 volte.

La temperatura operativa è risultata compresa tra 88 e 89,5K, leggermente inferiore al valore teorico di 93K, a causa di piccole impurità introdotte durante il processo.

Un problema comune nei superconduttori ad alta temperatura è la tendenza a deformarsi o collassare durante la lavorazione, specialmente in presenza di fasi liquide ad alte temperature. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che le particelle di Y₂BaCuO₅ (Y211) agiscono come una struttura di supporto, evitando cedimenti e mantenendo la stabilità del materiale.

Applicazioni e prospettive future

Per dimostrare la praticità del metodo, il team ha stampato in 3D diverse strutture superconduttive complesse, tra cui bobine toroidali a levitazione magnetica, tubi di schermatura magnetica e strutture ispirate all’origami.

Queste configurazioni, difficili da ottenere con i metodi tradizionali di crescita a singolo cristallo, potrebbero trovare impiego in settori come:

• Acceleratori di particelle
• Modulatori di sincrotrone
• Cavità a microonde per la ricerca sulla materia oscura

Sfide da affrontare e potenziali sviluppi

Nonostante i progressi, il metodo presenta ancora alcuni aspetti da migliorare. Sono state riscontrate microcricche e difetti di orientazione cristallina, oltre a zone con porosità localizzata. Se queste imperfezioni dovessero influenzare negativamente le proprietà meccaniche e superconduttive, i ricercatori prevedono di sperimentare additivi a base di argento (Ag) per mitigare il problema.

L’approccio sviluppato potrebbe essere applicato non solo ai superconduttori, ma anche a materiali piezoelettrici, termoelettrici, fotovoltaici e semiconduttori organici, con possibili implicazioni in raccolta energetica, elettronica e sviluppo di materiali avanzati.

L’evoluzione della stampa 3D nei superconduttori

La Northwestern University si unisce a una serie di istituzioni che stanno esplorando la stampa 3D per i superconduttori.

Nel 2018, il CERN ha scelto il software Simufact Additive per migliorare la fusione laser selettiva (SLM), ottimizzando la produzione di magneti superconduttori e componenti RF in materiali costosi come il niobio.

Anche Daniel Creedon dell’Università di Melbourne ha dimostrato che la stampa 3D può essere impiegata per realizzare cavità superconduttive a microonde con le stesse prestazioni delle versioni tradizionali. Sfruttando l’SLM, ha prodotto due cavità in alluminio, una con il 12% di silicio, senza riscontrare variazioni significative nella superconduttività. Un successivo trattamento termico a 770K ha raddoppiato le prestazioni, suggerendo che questi componenti potrebbero essere adottati su larga scala con ulteriori miglioramenti.