كيف تُنتج الطباعة ثلاثية الأبعاد موصلات فائقة ذاتية التجميع

كشف باحثو جامعة كورنيل عن طريقة جديدة لتصنيع الموصلات الفائقة تعتمد على حبر خاص قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد والتجميع الذاتي لإنشاء هياكل نانوية محددة. تُمكّن هذه الاستراتيجية المهندسين من إنشاء موصلات فائقة بخصائص وخصائص محددة بجهد أقل وآلات أقل تخصصًا. ولديها القدرة على إحداث ثورة في الحوسبة وعلوم الكم، وغيرها الكثير. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

البنى النانوية ذاتية التجميع (SA)

التجميع الذاتي (SA) هو ظاهرة طبيعية تُنظّم فيها الذرات أو الجزيئات أو الجسيمات تلقائيًا في أشكال محددة دون أي تدخل. تُوفّر هذه الاستراتيجية طريقة موثوقة وفعّالة للمهندسين لإنشاء هياكل مجهرية متينة دون الحاجة إلى آلات متخصصة لإنجاز المهمة.

يعمل التجميع الذاتي بفضل القوى غير التساهمية المؤثرة في العوامل البيئية. ستتشكل كتل البناء النانوية الصغيرة تلقائيًا في هياكل توفر الاستخدام الأمثل للطاقة. توفر هذه الأشكال الصغيرة قابلية توسع عالية ومتانة عالية، بالإضافة إلى خصائص مثالية أخرى لمهام مثل إنشاء الموصلات الفائقة.

ومن الجدير بالذكر أن مشاريع جنوب إفريقيا أصبحت أكثر شعبية بين أول موصل فائق مُجمّع ذاتيًا تم الكشف عن هذا المشروع في عام 2016. ومن المثير للاهتمام أن العديد من المهندسين أنفسهم عملوا على هذا المشروع الأخير، مما يسلط الضوء على طبيعة مساهماتهم طويلة الأمد وأهمية مساهماتهم في العلوم النانوية.

مشاكل مع مناهج SA

هناك بعض العوائق التقنية التي تعترض استراتيجيات التحليل الطيفي، والتي يجب على المهندسين تجاوزها إذا كانوا يعتزمون الاستفادة القصوى من طريقة التصنيع هذه. أولًا، تتطلب البنى النانوية المختلفة حركيات ترتيب مختلفة لعمليات منفصلة بمقاييس طول مختلفة.

علاوةً على ذلك، وجد المهندسون أن الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النانوية غير العضوية المسامية البلورية الوظيفية لا تزال تُمثل تحديًا صعبًا. تعتمد الاستراتيجية الحالية على نهج متعدد الجوانب يتضمن تصنيع المواد المسامية بشكل منفصل.

تُحوّل المواد أولًا إلى مسحوق لخلطها مع المواد الرابطة. بعد ذلك، تُعاد معالجة الخليط قبل الانتقال إلى المرحلة النهائية، وهي المعالجة الحرارية. هذه العملية تستغرق وقتًا طويلًا، ومكلفة، ومحدودة في البنى النانوية والمواد التي يمكن استخدامها.

هياكل وسطية مشتقة من كتلة كوبوليمر (BCP) SA

بذل المهندسون جهودًا كبيرة لتطوير أقوى وأكثر البنى النانوية فعالية. وقد فتح استخدام البنى النانوية المتوسطة المشتقة من البوليمر المشترك الكتلي (BCP) (SA) الباب أمام المزيد من التطبيقات مؤخرًا. توفر هذه التصاميم الصغيرة صلابةً وتحكمًا هيكليين مُحسَّنين. وتحديدًا، تُمكّن البنى النانوية BCP المهندسين من تعديل الشبكات النانوية المتوسطة ومعاييرها لإنشاء خيارات أقوى وعالية الأداء.

يُشار إلى أن مركبات المعادن الانتقالية المسامية متوسطة المسام، المُرتبة هرميًا والمُعتمدة على تقنية BCP SA، تُعتبر مستقبل هذه التقنية. مع ذلك، لم تُجرَ حتى الآن دراسة تُوضِّح كيفية طباعة هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد بنجاح وفعالية.

دراسة الموصل الفائق ذاتية التجميع المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

استخدم مركبات معدنية انتقالية مسامية مرتبة هرميًا من أساليب الطباعة ثلاثية الأبعاد من نوع الوعاء الواحد دراسة¹ يُقدّم هذا البحث طريقة تصنيع جديدة لإنشاء هياكل نانوية متقدمة بتقنية SA عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتتناول الدراسة مركبات المعادن الانتقالية للطباعة ثلاثية الأبعاد عبر كيمياء السول-جل، والتي تتجمع ذاتيًا أثناء مرحلة الطباعة.

المصدر - الطبيعة

التخطيط

كانت إحدى الخطوات الأولى التي اتخذها المهندسون إنشاء خريطة حاسوبية للبنى النانوية وعمليات تكوينها. مكّنتهم هذه الاستراتيجية من تحديد تفاصيل أساسية، مثل الكتلة المولية للبوليمر الذي يُقدم أعلى أداء موصل فائق، وغيرها.

عملية الكتابة بالحبر المباشر

توصل المهندسون إلى استراتيجية فريدة تعتمد على "وعاء واحدنهجٌ في الطباعة. اعتمدت هذه الاستراتيجية على حبرٍ خاصٍّ مُصنّع باستخدام بوليمرات كتلة من عائلة بلورونيكس (BCPs). ومن المثير للاهتمام أن هذه البوليمرات تُدمج مع مُحاليل معادن انتقالية مُحللة مائيًا من ألكوكسيدات معدنية في محاليل إيثانول حمضية. تُوفر هذه الاستراتيجية كفاءةً أعلى وتكاليف أقل مقارنةً بالطرق التقليدية التي تعتمد على عملية المسحوق.

الطباعة

صُممت فوهة طابعة ثلاثية الأبعاد خاصة لدعم استراتيجية الحبر أحادي الوعاء. استخدم الجهاز رأس طباعة بمضخة حقنة لتوصيل المادة. وبشكل أكثر تحديدًا، يقوم رأس الطابعة المصمم خصيصًا بضخ الحبر إلى طبق يحتوي على مواد أخرى، وذلك بناءً على نوع البنية النانوية التي يرغب العلماء في إنشائها.

على وجه التحديد، استُخدمت أطباق مملوءة بالهكسان لإنشاء هياكل خشبية مكعبة دورية. كما استُخدم سائل هلامي يحتوي على 25% كتلة من بلورونيك F127 في الماء كبديل آخر. هذه المادة قادرة على التجمع ذاتيًا لتكوين هياكل حلزونية دورية.

المعالجة الحرارية

تتضمن المرحلة الأخيرة من عملية التصنيع المعالجة الحرارية. عند تطبيق الحرارة على الطباعة، يحدث تفاعل يؤدي إلى تكوين أكاسيد ونيتريدات بلورية مسامية ومرتبة هرميًا. تتجمع هذه المواد ذاتيًا في هياكل متوسطة دورية مثالية للاستخدام كموصلات فائقة بلورية.

التحكم في الهيكل

لاحظ المهندسون أن تكوينات المواد غير العضوية الوظيفية المسامية القابلة للتوسع أتاحت لهم القدرة على تمييز خصائص محددة. وثّقوا ثلاثة مقاييس طول محددة، بما في ذلك الشبكات الذرية المركبة، والشبكات متوسطة الحجم القائمة على التحليل الطيفي، والشبكات العيانية المستحثة بالطباعة ثلاثية الأبعاد.

يتخطى هذا النهج العديد من الخطوات المُستهلكة للوقت والمكلفة للطرق السابقة، ويُمكّن المهندسين من تحديد الخصائص الهيكلية عبر تبلور الأكسيد أو النتريد. على وجه التحديد، استخدم الفريق التجميع الذاتي لكتل ​​البوليمر المشترك لإنشاء شبكات متوسطة البنية، والتي يمكن أن تشمل لفائف أو حلزونات، مما يجعلها مثالية لمختلف سيناريوهات الاستخدام.

التجفيف والتثبيت

بعد المعالجة، تُعرَّض البنى النانوية للهواء الطلق قبل أن تخضع لجولة أخرى من التعرض الحراري في الأمونيا وغاز الكربنة. تستخدم هذه الخطوة درجات حرارة أعلى تبلغ 950 درجة مئوية لتحويل الأكاسيد إلى حلزونات نيتريد معادن انتقالية بلورية محددة، وأكوام خشبية سداسية الشكل تحتوي على شبكات ذرية.

اختبار الموصل الفائق ذاتي التجميع المطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد

لاختبار تركيب الحبر وتقنيات الطباعة "المتعددة الطبقات"، ابتكر الفريق عدة سيناريوهات اختبارية، بهدف رصد آثار العملية على المتانة ومدة التجميع. تمثلت الخطوة الأولى في إنشاء شبكات هجينة قائمة بذاتها من أكوام الخشب.

احتوت شبكات كومة الخشب على هياكل حلزونية مسامية متوسطة من الأكاسيد والنتريدات. تُعد هذه التفاصيل الدقيقة بالغة الأهمية، إذ كان من شبه المستحيل في الماضي طباعة تكوين غير ذاتي الدعم مباشرةً. ولإنجاز هذه المهمة، اعتمد المهندسون على خوارزمية رسم الخرائط الخاصة بهم لتحديد الخصائص والتصميم الأمثل للجزيئات الكبيرة.

نتائج اختبار الموصل الفائق ثلاثي الأبعاد ذاتي التجميع

أسفر اختبار الطباعة عن نتائج مبهرة. فمن جهة، وجدوا أن هذه الطريقة قادرة على طباعة أشكال معقدة بأداء أعلى من أي طرق سابقة. وأشاروا إلى أن جزءًا كبيرًا من هذه المتانة يُعزى إلى ثبات البنية المتوسطة الموجودة في المواد البلورية النهائية، والتي تحتوي على شبكات دورية.

من المثير للإعجاب أن مادة الموصل الفائق الجديدة تفوقت على سابقاتها بمجال مغناطيسي حرج علوي يتراوح بين 40 و50 تسلا. والجدير بالذكر أن هذا رقم قياسي جديد، يتجاوز بكثير المحاولات السابقة. كما أشار العالم إلى أن الشبكات المطبوعة فائقة التوصيل، حيث تُحدد مستويات توصيلها بالكتلة المولية ومساحة السطح.

فوائد الموصلات الفائقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد ذاتية التجميع

مرر للتمرير →

تُقدّم دراسة الموصلات الفائقة ذاتية التجميع المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد فوائد جمة للسوق. من بينها، أنها تُقدّم طريقة تصنيع جديدة لإنتاج مواد فائقة التوصيل تتميز بمساحة سطح وموصلية كهربائية عالية قياسية. سيُسهم هذا الاكتشاف في توسيع الفهم العلمي للأشكال النانوية وتطبيقاتها.

تفتح هذه الدراسة أيضًا الباب أمام استراتيجيات طباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق النانو أكثر تعقيدًا. وستؤدي إلى تطوير مركبات معدنية انتقالية متوسطة المسامية، موجهة بتقنية SA، متقدمة وعالية الكفاءة، ذات خصائص مُحسّنة. وبالتالي، فإن الفوائد طويلة المدى لهذه الدراسة لم تُكتشف بعد.

تطبيقات واقعية وجدول زمني لموصلات فائقة ذاتية التجميع مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد:

هناك العديد من التطبيقات للموصلات الفائقة ذاتية التجميع المطبوعة ثلاثية الأبعاد. أولًا، ستُحسّن هذه الأجهزة أساليب تحويل الطاقة إلى مستوى جديد. تضمن مساحة السطح الإضافية الناتجة عن الهيكل المدمج تحقيق أقصى قدر من التوصيل في كل تطبيق.

قد تُسهم هذه الدراسة في تحسين تقنيات تخزين الطاقة. تتميز هذه الموصلات الفائقة بمساحة سطح أكبر، مما يجعلها مُحفِّزًا مثاليًا للاستخدام الصناعي أو التطبيقات الأخرى التي تتطلب تحويل الطاقة أو توصيلها. وبالتالي، سيُسهم هذا العمل في دفع عجلة تكنولوجيا البطاريات قدمًا.

الالكترونيات الدقيقة

هناك تطبيقات متعددة لهذا العمل في مجال الإلكترونيات الدقيقة. يُمكّن التجميع الذاتي المهندسين من بناء تصميمات مجهرية معقدة تُمكّن حتى أصغر الأجهزة من تحقيق قدرات متقدمة. في المستقبل، ستعتمد الإلكترونيات الدقيقة على هذه التقنية لضمان كفاءة العمليات وتحسين الأداء.

الجدول الزمني للموصلات الفائقة ذاتية التجميع المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

سيستغرق طرح هذه التقنية للجمهور ما بين 7 و10 سنوات. ولا يزال هناك الكثير من الأبحاث اللازمة لضمان قابلية التوسع والأداء لهذه الموصلات الفائقة الجديدة في ظل الاستخدام طويل الأمد. لذا، يُتوقع أن يستغرق الأمر بضع سنوات أخرى على الأقل من الأبحاث قبل وضع أي استراتيجيات إنتاج.

باحثون في مجال الموصلات الفائقة ذاتية التجميع المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

استضافت جامعة كورنيل دراسة الموصل الفائق ذاتية التجميع المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتضمنت الدراسة أسماء كل من فاي يو، وآر. باكستون ثيدفورد، وتوماس أ. تارتاليا، وسيجال س. شيث، وغيوم فريشيت، وويليام ر. تيت، وبيتر أ. بوكاج، وويليام ل. مور، ويوانزي لي، ويورغ ج. فيرنر، وجوليا ثوم-ليفي، وسول م. غرونر، وآر. بروس فان دوفر، وأولريش ب. ويزنر كمساهمين في العمل.

حصلت المجموعة على تمويل ودعم إضافي من مؤسسة العلوم الوطنية، ومركز أبحاث المواد والعلوم والهندسة بجامعة كورنيل، ومصدر السنكروترون عالي الطاقة بجامعة كورنيل، ومختبر أبحاث القوات الجوية.

مستقبل الموصلات الفائقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد ذاتية التجميع

يبدو مستقبل الموصل الفائق ثلاثي الأبعاد المُجمّع ذاتيًا واعدًا. تُعتبر هذه التقنية أكثر أهمية من أي وقت مضى. يشهد قطاع الإلكترونيات الدقيقة وتقنيات النانو اليوم نموًا سريعًا بفضل الاستثمارات الكبيرة. سيُسهم هذا العمل في تعزيز الجهود العلمية وكشف تقنيات جديدة لتحسين الأداء بشكل أكبر.

هناك بالفعل العديد من مشاريع الموصلات الفائقة المثيرة للاهتمام في العالم. بعض هذه المشاريع تشمل إنشاء الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة، باستخدام الجديد المواد لتوسيع التوصيل والاستفادة منه مغنطيسية لتحسين الأداء.

الاستثمار في تصنيع الموصلات الفائقة

يضم قطاع الموصلات الفائقة مجموعة متنوعة من المصنّعين ومجموعات البحث المرموقة. تواصل هذه الشركات استثمار الملايين في البحث والتطوير بهدف تطوير مواد أكثر كفاءةً وكفاءةً. يساهم عملها في دفع عجلة العلوم المتقدمة، مثل الحوسبة، وفيزياء الكم، والطيران، وغيرها. إليكم شركةً واحدةً لا تزال في طليعة الابتكار، وتحظى بالاحترام كرائدة في هذا المجال.

شركة American Superconductor Corp.

دخلت شركة American Superconductor Corp السوق في أبريل 1987. كان مؤسسوها، ومن بينهم أستاذ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جريجوري جيه يوريك، ويت مينج تشيانج، وديفيد إيه رودمان، وجون بي فاندير ساندي، يرغبون في توفير موصلات فائقة الأداء للتطبيقات الصناعية المتنامية وطاقة الرياح والتطبيقات العسكرية.

في عام ١٩٩١، طرحت شركة "أمريكان سوبركوندكتور كورب" أسهمها للاكتتاب العام بنجاح كبير. ثم أجرت الشركة عدة عمليات استحواذ رفيعة المستوى، بما في ذلك شركة طاقة الرياح النمساوية "ويندتك" عام ٢٠٠٧. مكّنت هذه الاستحواذات الشركة من تعزيز أبحاثها وخطوط إنتاجها وتعزيز مكانتها في السوق.

في عام ٢٠١٧، أبرمت شركة "أمريكان سوبركوندكتور كورب" شراكة استراتيجية مع البحرية الأمريكية. وبموجب هذا العقد، تقوم الشركة بإنشاء وصيانة أنظمة حماية السفن (SPS). يساعد هذا المنتج على تقليل البصمات المغناطيسية للسفن البحرية، مما يُصعّب استهدافها وتتبعها.

اليوم، لا تزال شركة "أمريكان سوبركوندكتور كورب" رائدة في إنتاج الموصلات الفائقة عالية الحرارة والأسلاك. وتُستخدم منتجاتها في مزارع الرياح الكبرى حول العالم، وفي السفن الحربية الكبيرة، وفي المختبرات العلمية حول العالم. لذا، يُنصح الباحثون عن شركة موثوقة لتصنيع الموصلات الفائقة بعقود حكومية بإجراء المزيد من البحث حول شركة "أمريكان سوبركوندكتور كورب" وعروضها.

أحدث أخبار وأداء سهم AMSC (AMSC)

موصل فائق مُجمّع ذاتيًا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد | الخاتمة

تفتح دراسة الموصل الفائق ذاتي التجميع والمطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الباب أمام تطبيق نهج المادة اللينة على المواد الكمومية وغيرها. سيعتمد المستقبل على هذه المواد المتقدمة لتوفير أداء ومتانة أعلى على المستوى المجهري. وبالتالي، يمكن اعتبار هذه الورقة البحثية بمثابة فتح آفاق جديدة لابتكارات كبرى في المستقبل.

تعرف على أخبار العلوم الرائعة الأخرى الان.

المراجع:

^{يو، ف.، ثيدفورد، ر. ب.، تارتاليا، ت. أ.، شيث، س. س.، فرايشيت، ج.، تايت، و. ر.، بوكاج، ب. أ.، مور، و. ل.، لي، ي.، فيرنر، ج. ج.، جرونر، س. م.، فان دوفر، ر. ب.، وويزنر، ي. ب. (1). مركبات معادن انتقالية مسامية مرتبة هرميًا من أساليب الطباعة ثلاثية الأبعاد أحادية الوعاء. مجلة نيتشر كوميونيكيشنز، 2025(3)، 16-1. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62794-8}