La impresión en 3D está revolucionando muchas áreas de fabricación y ciencia. En particular, la impresión en 3D de metales ha encontrado aplicaciones novedosas en campos tan diversos como implantes médicos personalizados, cojinetes de motores a reacción y creación rápida de prototipos para la industria automotriz.
Si bien se pueden utilizar muchas técnicas para la impresión en 3D con metales, la mayoría se basa en la fusión o sinterización controlada por computadora de un polvo de aleación de metal mediante un láser o haz de electrones. Las propiedades mecánicas de las piezas producidas por este método han sido bien estudiadas, pero no se ha prestado suficiente atención a sus propiedades eléctricas.
Ahora en un artículo que aparece esta semana en la portada de la revista letras de física aplicada , de AIP Publishing, un equipo de investigadores de la Universidad de Melbourne y la Universidad de Australia Occidental informan que crearon una cavidad de microondas resonante que imprimieron en 3D mediante una aleación de aluminio y silicio Al-12Si. Exhibe una superconductividad cuando se enfría por debajo deltemperatura crítica de aluminio 1.2 Kelvin.
"La conductividad es una medida de la facilidad con la que fluye una corriente eléctrica a través de un material, mientras que la 'superconductividad' se lleva al extremo", explicó el profesor Michael Tobar, director de nodos de la Universidad de Australia Occidental del Centro de Sistemas Cuánticos de Ingeniería."Es un efecto observado en varios materiales, que se caracteriza por la desaparición completa de cualquier resistencia al flujo de corriente eléctrica cuando se enfría por debajo de cierta temperatura".
Las cavidades superconductoras son útiles para numerosas áreas de la física, desde la física cuántica hasta los aceleradores de partículas. Pero diseñar cavidades superconductoras se está volviendo más complejo, a menudo involucrando geometrías no estándar y conjuntos de resonadores, lo que hace que el mecanizado convencional sea más desafiante.
Entonces, dos grupos de la Universidad de Australia Occidental, uno dirigido por el profesor Tim Sercombe, experto en materiales e impresión en 3D, y el otro dirigido por Tobar, experto en sistemas cuánticos de ingeniería y nuevos diseños de cavidades, combinadossu experiencia y lanzó un estudio piloto para explorar las propiedades superconductoras de las piezas impresas en 3D.
"La física de la superconductividad se entiende bien, y se sabe desde hace décadas que el aluminio exhibe superconductividad", dijo Tobar. "Pero el proceso de impresión en 3-D se basa en aluminio que está lejos de ser puro y se somete a varios procesos: atomización, fusión por láser, recocido de hornos, etc. Por lo tanto, queríamos explorar si una gama de metales superconductores conocidos podría imprimirse con éxito en 3D y conservar su propiedad eléctrica deseable ".
Un proceso conocido como "fusión selectiva por láser" SLM tiende a producir un material terminado con un grano muy pequeño y, para varios metales, la temperatura crítica a la que se produce la superconductividad puede estar fuertemente relacionada con el tamaño del grano.
"Materiales como el lantano, el molibdeno y el niobio responden de manera diferente", dijo Tobar. "Se ha observado que el tamaño de grano aumenta y disminuye esta temperatura crítica. Los superconductores con temperaturas críticas altas son particularmente interesantes, por lo que esta impresión en 3-DEl proceso puede tener alguna ventaja en la reducción del tamaño de grano. El proceso SLM también puede permitir la prueba rápida de nuevas aleaciones con porcentajes variables de elementos que no se han medido antes ".
Más allá de medir la superconductividad, el grupo quería demostrar que podían hacer algo potencialmente útil con esta técnica, por lo que decidieron imprimir en 3D una cavidad de microondas resonante.
"Usando un dispositivo llamado 'analizador de red de vectores', excitamos los modos electromagnéticos de resonancia en las frecuencias de microondas dentro de la cavidad y medimos su factor de calidad, también conocido como 'Q'. Esta es una medida de cuánto tiempo se almacenan las microondas inyectadas en elcavidad antes de perderse. Está directamente relacionado con la resistencia superficial de las paredes de la cavidad ", explicó.
A través de mediciones del factor Q, los investigadores pudieron determinar indirectamente esta resistencia y mostrar que el material se vuelve superconductor a 1,2 Kelvin.
Este resultado fue "sorprendente, dada la gran concentración de silicio no superconductor dentro de la aleación", señaló Tobar. "Puede abrir nuevas posibilidades para imprimir configuraciones de cavidades novedosas".
Los resultados del equipo son inmediatamente útiles: las personas ahora pueden crear una variedad de componentes en función de su trabajo.
"Debido a que los superconductores expulsan campos magnéticos, el blindaje magnético puede imprimirse para experimentos", dijo Tobar. "Además, cualquier experimento de cavidad que requiera un factor Q del orden de 1 millón puede beneficiarse de esta tecnología".
Según Tobar, para tecnologías que requieren anchos de línea mucho más nítidos y factores Q más altos, los materiales de partida como el polvo de niobio de alta pureza pueden ser ideales.
"Hay relativamente poco en la literatura con respecto a los superconductores impresos en 3-D, por lo que se debe realizar un trabajo adicional para determinar los materiales más apropiados y cómo mejorar el acabado de la superficie y la resistencia de las piezas, posiblemente mediante tratamiento térmico o pulido químico /grabado ", agregó.
¿Próximos pasos? El equipo quiere intentar cavidades de impresión en 3D con polvo de niobio altamente puro.
"El niobio es un material excelente y ampliamente utilizado para cavidades superconductoras", dijo Tobar. "Anticipamos que el uso de un polvo de metal muy puro para el proceso SLM proporcionará excelentes resultados".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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