Supraleiter aus dem 3D-Drucker erzielt Rekordleistung
Forscher der US-Universität Cornell ist es gelungen, einen Supraleiter mit Rekordeigenschaften mittels 3D-Druck herzustellen. Bereits 2016 gelang es dem Deutschen Ulrich Wiesner und seinen Kollegen dort, mit sogenannten Block-Copolymeren supraleitende Eigenschaften zu erzeugen.
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Diese Copolymere sind weiche, kettenartige Moleküle, die sich zu wiederholenden, nanometergroßen Strukturen anordnen. Bis zum Jahr 2021 konnte die Forschungsgruppe rund um Wiesner nachweisen, dass diese Strukturen den Eigenschaften konventioneller Supraleiter gleichkommen.
In einer neuen Studie stellten die Forscher nun eine Art Tinte aus Copolymeren und anorganischen Nanopartikeln her. Die Copolymere setzen sich beim 3D-Druck selbst in ein kristallines Gitter zusammen und dienen den Nanopartikeln als Gerüst. Durch eine Wärmebehandlung entsteht daraus ein kristalliner Supraleiter.
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Schnelles und günstiges Verfahren
Dieses "Eintopfverfahren", wie die Universität die Methode in einer Aussendung nennt, ist deutlich einfacher als der herkömmliche 3D-Druck für poröse Materialien. Bisher mussten man die Materialien oft separat herstellen, in Pulverform bringen, mit Bindemittel mischen, drucken und dann durch Wärmebehandlung weiterverarbeiten. Die neue Methode sei deutlich schneller und günstiger, wie die Forscher in ihrer Studie schreiben.
Was ist ein Supraleiter?
Supraleiter sind Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten können. Dazu müssen sie extrem stark gekühlt oder hohem Druck ausgesetzt werden. Gekühlt werden Supraleiter hauptsächlich mit flüssigem Helium (-269 Grad Celsius), Hochtemperatursupraleiter können auch mit Flüssigstickstoff (-196 Grad Celsius) gekühlt werden.
Supraleiter könnten Strom über weite Strecken ohne Verluste transportieren, ermöglichen den Bau von extrem starken Elektromagneten und auch Energiespeicher profitieren von Supraleitern. Daher sucht man nach Supraleitern, die bei immer höheren Temperaturen (möglichst Raumtemperatur) funktionieren.
"Diese Entwicklung hat lange auf sich warten lassen", wird Wiesner in der Aussendung zitiert. Durch die neue Methode sei es nicht nur möglich, komplexe Formen zu drucken, dem Material könnten dadurch auch Eigenschaften verliehen werden, die vorher gar nicht möglich waren.
Neuer Rekord: Standhaft gegen extreme Magnetfelder
Das beeindruckendste Ergebnis der Studie wurde erzielt, als die Forscher einen Supraleiter aus Niobnitrid druckten. Niobnitrid wird unterhalb einer Temperatur von 16,5 Kelvin (ca. -256,5 Grad Celsius) supraleitend. Es kann also mit flüssigem Helium (-269 Grad Celsius) gekühlt werden, um Supraleitfähigkeit zu erreichen.
Das 3D-gedruckte Niobnitrid kann dank seiner porösen Struktur Magnetfelder mit der Stärke von 40 bis 50 Tesla aushalten. Das ist der höchste Wert, der jemals für diese Art von Supraleiter erreicht wurde. Die Eigenschaft ist wichtig, um superstarke Magnete herzustellen, wie sie etwa in der MRT-Bildgebung verwendet werden.
Der 3D-Druck ermöglicht komplexe Strukturen - nicht nur auf Millimeter-, sondern auch auf Nanometerebene.
© Wiesner at al.
Die Anwendung von solchen Materialien reicht von Mikroelektronik über Stromspeicher bis hin zu supraleitenden Magneten, betonen die Forscher. Sie wollen nun alternative Verbindungen untersuchen, wie etwa Titannitrid.
Dabei handelt es sich um einen sogenannten Superisolator. Das ist ein Material, der den Stromfluss selbst bei sehr niedrigen Temperaturen vollständig verhindert. Solche Superisolatoren können etwa in Batterien angewendet werden, damit sie sich bei ungenutzter Lagerung nicht mehr entladen können.