在當下的3D打印行業中，金屬3D打印技術可以說是一個熱門領域，在醫療、航空航天、汽車等領域都有很好的應用，其市場正在快速增長。實際上，在這里金屬3D打印只是一個統稱，下面有多種不同的技術，不過其中大部分都是依靠計算機控制激光或電子束來融化或燒結金屬粉末。迄今為止，研究人員們對于金屬3D打印部件的機械性能已經有了大量的研究，但是對于它們的電氣性能投入的注意力反而不夠。

日前，在《Applied Physics Letters》雜志封面上出現了一篇論文，在這篇論文中，來自墨爾本大學（University of Melbourne）和澳大利亞西部大學（University of Western Australia）的研究團隊使用一種鋁硅合金（Al-12Si）3D打印了一個微波諧振腔。科學家們說，在將這個部件冷卻到鋁的臨界溫度（1.2 Kelvin）以下時，它就表現出了超導性。

科學家們3D打印的諧振腔樣品

“電導率是衡量電流通過一種材料的容易程度的，而超導性指的是某些材料所具備的在低溫下失去電阻的特性。”澳大利亞西部大學工程量子系統研究中心主任教授 Michael Tobar解釋說。

超導腔在物理學的許多領域都有應用——從量子物理學到粒子加速器等。但是如今超導諧振腔的設計正在變得越來越復雜，往往涉及到非標準幾何形狀和諧振器陣列，這就使得傳統的加工工藝面臨著極大的挑戰。

所以，在澳大利亞西部大學有兩個科研團隊——一個由材料與3D打印專家Tim Sercombe教授領導，另一個則由工程量子系統和超導腔設計專家Tobar帶領——結合他們各自的專業知識發起了一項試點研究，來探索3D打印部件的超導態性質。

“超導物理很好理解，幾十年前人們就知道鋁具有超導性。”Tobar說：“但是3D打印工藝使用的鋁十分不純，而且它經歷了幾個過程——霧化、激光熔化、爐內退火等。所以我們想對一系列已知的超導金屬進行一下研究，看看這些金屬在3D打印后能否保留其電性能。”

比如一種被稱為“選擇性激光熔融（SLM）”的金屬3D打印技術往往會制造出具有非常小顆粒的成品材料，而許多金屬，其表現出超導性的臨界溫度往往跟其顆粒尺寸相關性非常大。

“比如鑭、鉬、鈮這些材料都有不同的反應。”Tobar說：“我們所觀察到的顆粒尺寸既可能降低臨界溫度，也可能升高臨界溫度。具有高臨界溫度的超導體尤其有趣，所以該3D打印工藝在減少顆粒尺寸方面可能會有一些優勢。另外，SLM工藝還能夠幫我們快速測量具有不同元素比例的新型合金。”

除了測量超導性之外，研究團隊還想看看他們是否能夠用這種技術制造出可能有用的東西，所以他們決定3D打印微波諧振腔。

“使用一種叫做“矢量網絡分析儀”的裝置，我們激活了腔內微波頻率共振的電磁模式，并測量其質量因子（又名Q）。這是一個測量將微波注入諧振腔后它能夠存在多長時間的指標。它直接與諧振腔壁的表面電阻有關。”他解釋說。

通過對Q因子的測量，研究者們能夠間接地確定電阻。而結果顯示材料在1.2Kelvin的條件下具有超導性。

這一結果"令人吃驚，因為該合金當中存在大量非超導性的硅”。Tobar指出：“它可能會為打印全新腔結構帶來新的可能性。

而且，研究團隊的這一成果有很大的現實應用價值——人們現在可以根據這一結果打造各種部件。

“因為超導體驅逐磁場，我們可以為實驗打印磁屏蔽。”Tobar說：“此外，任何需要Q因子的值在100萬左右的腔實驗均可從該技術中受益。”

而對于那些需要清晰得多的線寬和高Q因子值得技術，據Tobar稱，高純度的鈮粉可能是理想的起始材料。

“由于對于3D打印超導體的科技文獻較少，所以我們必須做進一步的研究以確定更加合適的材料，以及如何提高零部件的表面光潔度和性能——比如是否可能通過熱處理或化學拋光/蝕刻等。”他補充說

下一步？科學家們想要嘗試用高純度鈮粉3D打印超導腔。

“鈮是*的材料，在超導腔中使用得很廣泛。”Tobar說：“我們預計把非常純的鈮金屬粉末用于SLM工藝能獲得很好的效果。”