Materiais supercondutores feitos de cerâmica mostraram uma desvantagem frustrante em relação aos supercondutores mais avançados: sua propriedade cerâmica os torna quebradiços. David Dunand, professor de ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering e colaboradores do Fermilab estão dispostos a mudar isso com a ajuda de um processo de impressão 3D de extrusão de material de pasta cerâmica (MEX). Seu método de impressão imprimiu supercondutores YBCO que terão mais potência, o que ajudará as invenções movidas a supercondutores a custar menos.
“Cupratos baseados em cerâmica são supercondutores comuns de alta temperatura e, como operam com nitrogênio líquido, são imensamente mais baratos e fáceis de trabalhar do que supercondutores metálicos de baixa temperatura”, disse Dunand. “Os formatos que esses materiais podem fazer foram limitados por causa de sua fragilidade. Você gostaria de ser capaz de fazer objetos complexos que sejam otimizados para eficiência energética.”
O trabalho da equipe é descrito no artigo “ Additively-manufactured Monocrystalline YBCO Superconductor,” publicado em 24 de fevereiro na Nature Communications. Dunand foi coautor do artigo correspondente junto com Dingchang Zhang (PhD ’24), um pesquisador de pós-doutorado na University of California, Berkeley, e um ex-aluno no laboratório de Dunand. Cristian Boffo, gerente do projeto PIP-II no Fermilab, também foi coautor do estudo.
Para evitar ser limitado pela fragilidade dos cupratos, a equipe de pesquisa desenvolveu um método para produzir com sucesso YBCO monocristalino — um supercondutor policristalino comum — usando manufatura aditiva. O óxido de cobre, bário e ítrio (YBCO) é uma família de compostos químicos cristalinos com supercondutividade em alta temperatura; inclui o primeiro material já descoberto a se tornar supercondutor acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido.
Quebrando o processo, o primeiro passo usa pó precursor disponível comercialmente para preparar tinta. A tinta é então colocada na seringa para criar micro-redes YBCO ou outras geometrias complexas que são policristais. O material impresso em 3D se torna um único cristal em peças impressas em 3D por um método de crescimento por fusão.
Normalmente, supercondutores em massa são criados em uma forma simples por prensagem de molde. Eles são então sinterizados ou aquecidos, e os pós prensados se fundem. Os pesquisadores usaram tinta (pasta) contendo pó de YBCO e a aplicaram via impressão 3D para criar um objeto complexo para sinterização.
Os pesquisadores também conseguiram remover os limites de grãos do material, que são pequenos defeitos em estruturas cristalinas que podem diminuir a condutividade elétrica e térmica de um material. Isso resultou em uma corrente supercondutora mais eficaz.
“As pessoas fizeram monocristais em um bloco de material, e mostramos que podemos usar essa mesma técnica com impressão 3D”, disse Zhang. “Durante nosso processo, podemos fabricar formas complexas, como bobinas toroidais, com uma semente de monocristal colocada no topo. Essas peças impressas em 3D derretem parcialmente por uma janela de processamento controlada e se transformam em monocristais, mantendo sua forma original impressa em 3D.”
“No Fermilab, estamos desenvolvendo os ímãs supercondutores de próxima geração que impulsionarão experimentos científicos nas próximas décadas”, disse Boffo. “A tecnologia criada por meio dessa colaboração permitirá designs antes inimagináveis, aumentando assim nosso potencial de avanço.”
“O objeto monocristalino pode transportar uma quantidade maior de corrente elétrica, tornando-o capaz de fornecer mais energia, tornando os ímãs imensamente mais fortes”, disse Dunand. “Isso fornece mais energia para aceleradores de partículas, como o FermiLab. As partículas mais rápidas podem desbloquear descobertas para os físicos.”
De acordo com Dunand, esse trabalho tem o potencial de ser apenas o começo de supercondutores mais poderosos e eficientes. O grupo planeja aplicar seu método a outros materiais supercondutores cerâmicos.
“Conduzimos esta pesquisa com YBCO, o supercondutor mais comum, mas há muitos outros compostos com temperaturas de desempenho ainda mais altas do que podem ser processadas pelo nosso método”, disse Dunand. “As possíveis aplicações para isso são muito empolgantes”. Para saber mais sobre o material acesse o site.
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