发布日期：2025-08-25 浏览：100
《自然·通讯》在线发表了美国康奈尔大学材料科学与工程系Ulrich B. Wiesner团队的一项突破性成果：利用“一锅式”直接墨水写入（DIW）3D打印技术，首次在原子、介观和宏观三个尺度同时实现结构精准控制，成功制备出多级有序介孔的氧化铌、氮化铌及氮化钛等过渡金属化合物。研究显示，通过调控嵌段共聚物（BCP）分子量即可“按需”提升超导临界场强，最高达到50特斯拉，刷新了纳米限域超导增强的世界纪录。
三尺度协同控制：从原子晶格到宏观构型
传统多孔无机材料往往需要预先合成晶体粉末，再与墨水混合后打印，流程繁琐且容易堵塞喷头。Wiesner团队另辟蹊径，将Pluronic族两亲性三嵌段共聚物与金属醇盐水溶胶一次性配制成“单锅”墨水。打印过程中，共聚物自组装形成六角有序介孔结构；后续在空气、氨气及渗碳气氛中分段热处理，最终获得具有岩盐型原子晶格、4 nm均一介孔和厘米级复杂外形的氮化物或氧化物陶瓷。这种跨尺度协同策略，既省去了预合成步骤，又实现了对孔道尺寸、壁厚和宏观形貌的同步精准调控。
突破打印极限：非自支撑螺旋结构问世
借助疏水性己烷凝固浴或25% F127水凝胶支撑基质，研究人员首次通过嵌入式DIW打印出半径2–4 mm、螺距1.5 mm的氮化铌螺旋。该结构在乙醇中可弹性压缩回弹，经高温转化后仍保持完整形貌，成为首批非自支撑3D打印超导体。
分子量“旋钮”：超导临界场强提升3倍
团队系统比较了不同分子量BCP模板制备的氮化铌样品，发现随着BCP分子量减小，孔壁厚度降低，超导上临界场Bc2(0)由接近块体材料的十几特斯拉跃升至50特斯拉；同时，临界温度从7 K增至15 K以上。通过室温空气老化实验进一步验证：表面氧化层减薄孔壁，Bc2(0)继续升高，表明纳米限域效应是性能提升的核心机制。该规律同样适用于氮化钛体系，为超导材料的“分子级设计”提供了新范式。
应用前景广阔
该方法原料易得、设备常规，有望打通增材制造、介孔材料与关联电子体系三大领域，推动高比能储能、催化、微纳电子及超导磁体等领域快速发展。
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