كيفية创造 الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد

كشفت باحثو جامعة كورنيل عن طريقة جديدة لتصنيع الموصلات الفائقة تعتمد على حبر قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد خاص وتجميع ذاتي لإنشاء هياكل نانوية محددة. تمكن هذه الاستراتيجية مهندسي التصنيع من إنشاء موصلات فائقة ذات سمات ومواصفات محددة بجهود أقل وتحديدًا أقل للماكينات المتخصصة. لديها إمكانات لتغيير حقل الحوسبة والعلوم الكمومية وغيرها كثيرًا. هنا ما تحتاج إلى معرفته.

هياكل النانو ذات التجميع الذاتي (SA)

يُشير التجميع الذاتي (SA) إلى ظاهرة طبيعية حيث تتجمع الذرات أو الجزيئات أو الجسيمات تلقائيًا في أشكال محددة دون أي تدخل. توفر هذه الاستراتيجية طريقة موثوقة وفعالة لمهندسي التصنيع لإنشاء هياكل دقيقة متينة دون الحاجة إلى آلات متخصصة لإكمال المهمة.

يعمل التجميع الذاتي بسبب القوى غير المتجاوزة التي تتفاعل مع العوامل البيئية. سوف تتجمع كتل بناء الهياكل النانوية تلقائيًا في هياكل توفر استخدامًا مثاليًا للطاقة. توفر هذه الأشكال الصغيرة قابلية للتوسيع والمتانة والخصائص المثالية الأخرى لمهام مثل إنشاء الموصلات الفائقة.

من المهم أن تكون مشاريع التجميع الذاتي قد أصبحت أكثر شعبية مع أول موصل فائق ذاتي التجميع الذي تم الكشف عنه في عام 2016. ومن المثير للاهتمام أن العديد من نفس المهندسين عملوا على هذا المشروع الأخير، مما يبرز الطابع الطويل الأمد وأهمية مساهمتهم في علوم الهياكل النانوية.

مشاكل في نهج التجميع الذاتي

هناك بعض العوائق الفنية لاستراتيجيات التجميع الذاتي التي يجب على مهندسي التصنيع التغلب عليها إذا كانوا يعتزمون إطلاق هذه طريقة التصنيع إلى أقصى إمكانياتها. أولاً، تتطلب هياكل نانوية مختلفة ديناميكيات ترتيب منفصلة لعملية في مستويات طول مختلفة.

علاوة على ذلك، وجد مهندسو التصنيع أن الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النانوية غير العضوية المسامية البلورية الوظيفية لا تزال تحديًا صعبًا. تعتمد الاستراتيجية الحالية على نهج متعدد الجوانب يتضمن تخليق المواد المسامية بشكل منفصل.

تُحول المواد أولاً إلى شكل مسحوق حتى يمكن خلطها مع ربطات. من هناك، يتم إعادة معالجة الخليط قبل التوجه إلى المرحلة النهائية، معالجة حرارية. الإجراء استهلاك للوقت وباهظ التكلفة ومحدود فيما يتعلق بالهياكل النانوية والمواد التي يمكن استخدامها.

هياكل الميزو المشتقة من البوليمر المتسلسل (BCP) ذات التجميع الذاتي

بذل مهندسو التصنيع الكثير من الجهد لتطوير أقوى وأكثر هياكل نانوية فعالية. فتح استخدام هياكل الميزو المشتقة من البوليمر المتسلسل (BCP) ذات التجميع الذاتي الباب أمام تطبيقات أكثر مؤخرًا. توفر هذه التصاميم الصغيرة متانة هيكلية وسيطرة محسنة. على وجه التحديد، تمكن هياكل البوليمر المتسلسل من مهندسي التصنيع من تعديل شبكات الميزو ومتغيرات الشبكة لإنشاء خيارات أداء عالية وقوية.

من المهم أن يتم اعتبار مركبات البوليمر المتسلسل ذات التجميع الذاتي المترتبة على التسلسلات الانتقالية للمعادن المeso مسامية ك未来 لهذه التكنولوجيا. ومع ذلك، حتى الآن، لم يتم إجراء دراسة تثبت كيفية الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل البوليمر المتسلسل بنجاح.

دراسة الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

تقدم دراسة مركبات المعادن الانتقالية المسامية المترتبة على نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد من النوع واحد الحوض ¹ طريقة تصنيع جديدة لإنشاء هياكل نانوية ذات تجميع ذاتي متقدمة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد. تتعمق الدراسة في الطباعة ثلاثية الأبعاد لمركبات المعادن الانتقالية من خلال كيمياء الجل-الجلطلة التي تتجمع ذاتيًا خلال مرحلة الطباعة.

Source – Nature

التنسيق

كان أحد أولى الخطوات التي قام بها مهندسو التصنيع هو إنشاء خريطة حاسوبية للهياكل النانوية وعمليات تشكيلها. مكنت هذه الاستراتيجية من تحديد تفاصيل رئيسية مثل أي كتلة مولر لالبوليمر توفر أداء موصل فائق أعلى.

عملية الكتابة المباشرة للحبر

قدم مهندسو التصنيع استراتيجية فريدة تعتمد على نهج ” واحد الحوض” للطباعة. استخدمت هذه الاستراتيجية حبرًا خاصًا تم إنشاؤه باستخدام بوليمرات البلوورنكس (BCPs). ومن المثير للاهتمام أن بوليمرات البلوورنكس تُجمع مع محلات المعادن الانتقالية التي تمت هيدروليزتها من ألكوكسيدات المعادن في محاليل الإيثانول الحمضية. توفر هذه الاستراتيجية كفاءة أفضل وتكلفة أقل مقارنة بالطرق التقليدية التي تعتمد على عملية المسحوق.

الطباعة

تم إنشاء رأس طابعة ثلاثية الأبعاد خاص لدعم استراتيجية الحبر من النوع واحد الحوض. استخدمت الوحدة رأس طباعة من نوع مضخة الحقنة لتسليم المادة. على وجه التحديد، يضخ رأس الطابعة المخصص الحبر في طبق يحتوي على مواد أخرى بناءً على نوع الهيكل النانوي الذي يريد العلماء إنشائه.

على وجه التحديد، تم استخدام أطباق تحتوي على الهكسان لإنشاء هياكل الخشب المزخرفة الدورية. كما تم استخدام سائل غيلي يحتوي على 25% من البلوورنكس F127 حسب الكتلة في الماء كبديل آخر. يمكن أن تتجمع هذه المادة ذاتيًا في هياكل حلزونية دورية.

المعالجة الحرارية

تتمثل المرحلة النهائية من عملية التصنيع في المعالجة الحرارية. عندما يتم تطبيق الحرارة على الطباعة، يحدث تفاعل يؤدي إلى تشكيل أكسيدات ونتريدات مسامية بلورية هرمية. ثم تتجمع هذه المواد في هياكل ميزو دورية مثالية للاستخدام كموصلات فائقة بلورية.

سيطرة الهيكل

أشار مهندسو التصنيع إلى أن تشكيلات المواد الوظيفية غير العضوية المسامية القابلة للتوسيع قدمت لهم القدرة على تحديد خصائص محددة. وثقوا ثلاثة مستويات طولية محددة، بما في ذلك شبكات الذرات المشتركة وشبكات الميزو المشتقة من التجميع الذاتي وشبكات الماكروسكوبية المستحثة بالطباعة ثلاثية الأبعاد.

ت跳 هذه النهج العديد من الخطوات المستهلكة للوقت والتكلفة في الطرق السابقة وتمكن مهندسي التصنيع من تحديد السمات الهيكلية عبر تبلور الأكسيد أو النتريد. على وجه التحديد، استخدم الفريق تجميع البوليمر المتسلسل لإنشاء شبكات ميزو، والتي يمكن أن تشمل أطواق أو حلزونات، مما يجعلها مثالية لمختلف سيناريوهات الاستخدام.

الجفاف والتحديد

بعد المعالجة، يتم تعرض الهياكل النانوية إلى الهواء المفتوح قبل الخضوع لجولة أخرى من التعرض للحرارة في الأمونيوم وغاز الكربنة. يستخدم هذا الخطوة درجات حرارة أعلى تصل إلى 950 درجة مئوية لتحويل الأكسيدات إلى حلزونات نتريد انتقالي بلورية محددة وخشب مزخرف سداسي التكرار يحتوي على شبكات ذرية.

اختبار الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

为了 اختبار صياغة حبر “واحد الحوض” و تقنيات الطباعة، أنشأ الفريق عدة سيناريوهات اختبار، بهدف مراقبة تأثير العملية على المتانة وأوقات التجميع. كان الخطوة الأولى هي إنشاء شبكات خشب مزخرفة حرة متوسطة تحتوي على هياكل حلزونية مسامية من أكسيدات ونتريدات.

نتائج اختبار الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

أظهرت اختبار الطباعة بعض النتائج المثيرة. أولاً، وجدوا أن النهج يمكن أن يطبع أشكالًا معقدة بأداء أعلى من أي طريقة سابقة. لاحظوا أن الكثير من هذه المتانة يمكن أن يعزى إلى الاحتفاظ بهياكل الميزو الموجودة في المواد البلورية النهائية، والتي تحتوي على شبكات دورية.

من المثير للدهشة أن المواد الموصلات الفائقة الجديدة تفوقت على السابقة بمجال磁ي حرج أعلى يصل إلى 40 إلى 50 تيسلا. ومن المهم أن يتم ملاحظة أن الشبكات المطبوعة هي موصلات فائقة، ويتحدد مستويات التوصيل الخاصة بها بواسطة الكتلة المولية والمساحة السطحية.

فوائد الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

اسحب للاطلاع →

توجد قائمة طويلة من الفوائد التي تطرحها دراسة الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد. أولاً، إنها تخلق طريقة تصنيع جديدة لإنشاء مواد موصلات فائقة توفر سجل قياسي لمساحة السطح والتوصيل. سوف تساعد هذه الاكتشاف على توسيع الفهم العلمي لأشكال الهياكل النانوية وتطبيقاتها.

تفتح هذه الدراسة أيضًا الباب أمام استراتيجيات الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية الأكثر دقة. سوف تؤدي إلى تطوير مركبات انتقالية معدنية متقدمة وموهنة ذات خصائص محسنة. وبالتالي، فإن الفوائد طويلة الأمد لهذه الدراسة لم تظهر بعد.

تطبيقات الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد وتقويمها الزمني:

توجد العديد من التطبيقات للموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد. أولاً، سوف تعزز هذه الأجهزة أساليب تحويل الطاقة إلى مستوى جديد. يضمن الشكل المضغوط الناتج عن الهيكل أن يتم تحقيق التوصيل الأقصى لكل تطبيق.

يمكن أن تساعد هذه الدراسة على تحسين تقنيات تخزين الطاقة. توفر الموصلات الفائقة هذه مساحة سطح أكبر، مما يجعلها كاتاليزات مثالية للاستخدام الصناعي أو التطبيقات الأخرى التي تتطلب تحويل أو توصيل الطاقة. وبالتالي، سوف تساعد هذه الأعمال على دفع تقنية البطاريات إلى الأمام.

الميكروإلكترونيات

توجد العديد من التطبيقات لهذه الأعمال في مجال الميكروإلكترونيات. يسمح التجميع الذاتي لمهندسي التصنيع ببناء تصاميم دقيقة معقدة لتمكين القدرات المتقدمة حتى من أصغر جهاز. في المستقبل، سوف تعتمد الميكروإلكترونيات على هذه التكنولوجيا لضمان العمليات الفعالة وتحسين الأداء.

جدول زمني الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

سوف يستغرق الأمر حوالي 7-10 سنوات حتى تصل هذه التكنولوجيا إلى العامة. لا يزال هناك الكثير من البحث ضروريًا لضمان قابلية التوسع والأداء لهذه الموصلات الفائقة الجديدة تحت الاستخدام طويل الأمد. وبالتالي، يمكنك期待 بضع سنوات أخرى من البحث قبل أي استراتيجيات إنتاج.

باحثو الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

أستضافت جامعة كورنيل دراسة الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد. وتشمل قائمة المساهمين في الأعمال فاي يو وآر باكستون ثيدفورد وتوماس أ. تارتاغليا وسيجال إس. شيث وغيوم فريتشيت وويليام آر تي تيت وبيتر أ. بوكاج وويليام إل. مور ويوانزي لي وجورج ويرنر وجوليا ثوم ليفي وسول إم. غرينر وآر بروس فان دوفير وأولريش بي. ويسنر.

تلقى الفريق تمويلًا ودعمًا إضافيًا من المؤسسة الوطنية للعلوم ومركز أبحاث العلوم والهندسة في جامعة كورنيل ومصدر أشعة السنكروترون العالي في كورنيل ومختبر أبحاث القوات الجوية.

مستقبل الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد

يبدو مستقبل الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد مشرقًا. تعتبر هذه التكنولوجيا أكثر أهمية من أي وقت مضى. اليوم، يُعد مجال الميكروإلكترونيات والتكنولوجيا النانوية قطاعًا سريع النمو مع الكثير من الاستثمارات. سوف تساعد هذه الأعمال على دفع الجهود العلمية وفك تقنيات تحسين الأداء بشكل أكبر.

توجد بالفعل العديد من مشاريع الموصلات الفائقة المثيرة للاهتمام في العالم. تشمل بعض هذه المشاريع إنشاء موصلات فائقة عند درجة حرارة الغرفة، واستخدام مواد جديدة لزيادة التوصيل، وتحسين المغناطيسية لتحسين الأداء.

استثمار تصنيع الموصلات الفائقة

يضم قطاع الموصلات الفائقة مجموعة متنوعة من الشركات والفرق البحثية المعروفة. تواصل هذه الشركات سكب الملايين في البحث والتطوير بهدف فتح المواد الأكثر قدرة وفعالية. يساعد عملهم على دفع العلوم المتقدمة مثل الحوسبة والفيزياء الكمومية والطيران وغيرها كثيرًا. هنا شركة واحدة تبقى في طليعة الابتكار وتُحترم كقائد في السوق.

شركة الموصلات الفائقة الأمريكية

دخلت شركة الموصلات الفائقة الأمريكية السوق في أبريل 1987. أراد مؤسسو الشركة، بمن فيهم أستاذ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جريجوري ج. يوريك، ويت-مينغ تشيانغ، وديفيد أ. رودمان، وجون ب. فاندر ساند، تقديم موصلات فائقة أداء عالي للتطبيقات الصناعية والطاقة الرياح والمilitary المتزايدة.

في عام 1991، دخلت شركة الموصلات الفائقة الأمريكية السوق العامة بنجاح كبير. ثم قامت الشركة ببعض الاستحواذات الكبيرة، بما في ذلك شركة الطاقة الرياح النمساوية وينتيك في عام 2007. مكنت هذه الاستحواذات الشركة من تعزيز أبحاثها وخطوط إنتاجها ووضعها في السوق.

في عام 2017، وقعت شركة الموصلات الفائقة الأمريكية شراكة استراتيجية مع البحرية الأمريكية. تم بموجب العقد إنشاء أنظمة حماية السفن (SPS). تساعد هذه المنتج في خفض التوقيعات المغناطيسية للسفن البحرية، مما يجعلها أكثر صعوبة في الاستهداف والتتبع.

اليوم، لا تزال شركة الموصلات الفائقة الأمريكية رائدة في موصلات فائقة درجة الحرارة العالية وتصنيع الأسلاك. يمكن العثور على منتجاتها في مزارع الرياح الكبيرة في جميع أنحاء العالم والسفن البحرية الكبيرة ومختبرات العلوم العالمية. يجب على أولئك الذين يبحثون عن شركة موصلات فائقة ذات سمعة طيبة مع عقود حكومية القيام ببحث أكبر في شركة الموصلات الفائقة الأمريكية و عروضها.

أحدث أخبار وأداء أسهم AMSC (AMSC)

الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد | الخلاصة

تفتح دراسة الموصلات الفائقة ذات التجميع الذاتي المطبوعة ثلاثية الأبعاد الباب أمام نهج المادة اللينة للمواد الكمومية وأكثر. سوف يعتمد المستقبل على هذه المواد المتقدمة لتقديم أداء ومتانة إضافيين على مستوى النانو. وبالتالي، يمكن اعتبار هذه الورقة كفتح الباب أمام الابتكارات الكبيرة القادمة.

تعلم المزيد عن الأخبار العلمية المثيرة الآن.

المراجع:

^{1. Yu, F., Thedford, R. P., Tartaglia, T. A., Sheth, S. S., Freychet, G., Tait, W. R., Beaucage, P. A., Moore, W. L., Li, Y., Werner, J. G., Gruner, S. M., Van Dover, R. B., & Wiesner, U. B. (2025). Hierarchically ordered porous transition metal compounds from one-pot type 3D printing approaches. Nature Communications, 16(1), 1-12. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62794-8}