Дослідники з Університету Торонто зробили значний крок у створенні унікального матеріалу, поєднавши машинне навчання з нанотехнологіями. Це відкриття може суттєво змінити різні галузі, від аерокосмічної до автомобільної промисловості.
Про це розповідає ProIT
Інноваційний підхід до створення матеріалів
Дослідники протягом десятиліть намагались знайти ідеальне поєднання легкості та міцності в матеріалах. Це особливо важливо в аерокосмічній промисловості, де навіть незначне зменшення ваги може суттєво знизити витрати на паливо та підвищити ефективність. Традиційні матеріали, такі як алюміній і титан, мають свої обмеження, а вуглецеве волокно, хоч і стало революційним, не є ідеальним рішенням.
Канадські науковці вирішили використовувати наноструктуровані матеріали, які імітують природні структури, такі як кістки, мушлі та стільники. Вони розробили геометричні форми, що рівномірно розподіляють навантаження, мінімізуючи ризик виникнення слабких місць, що можуть призвести до руйнування.
Оптимізація форм за допомогою ШІ
«Наноархітектуровані матеріали поєднують високоефективні форми, подібні до трикутних конструкцій у мостах, але на нанорівні, що дозволяє досягти рекордного співвідношення міцності до ваги», — пояснює Пітер Серлс, головний автор дослідження.
Вчені застосували Байєсову оптимізацію, метод машинного навчання, щоб вибрати найефективніші форми для своїх карбонових нанорешіток. Алгоритм створив тисячі можливих конструкцій, які тестувалися у віртуальному середовищі, після чого програма вдосконалювала конструкції, поки не були знайдені оптимальні рішення із максимальною міцністю та жорсткістю при мінімальній вазі.
Обрані конструкції фізично відтворили за допомогою двофотонної полімеризації — методу 3D-друку з нанометровою точністю. Вчені створили решітки, що складаються зі структур товщиною лише від 300 до 600 нанометрів, які піддавали піролізу, перетворюючи полімер у склоподібний вуглець.
Оптимізовані нанорешітки продемонстрували міцність, що перевищує багато традиційних легких матеріалів; вони витримали навантаження 2,03 мегапаскаля на кубічний метр на кілограм щільності, що перевищує міцність титанів у п’ять разів.
«Це перший випадок, коли машинне навчання використано для оптимізації наноструктурованих матеріалів, і результати нас вразили», — зазначає Серлс. «ШІ не просто повторював відомі вдалі геометрії, а створював абсолютно нові ефективні форми», — додає він.
Вчені виявили, що зменшення діаметра вуглецевих балок до 300 нанометрів веде до значного зростання їхньої міцності, що пояснюється явищем «ефекту розміру». Це означає, що на нанорівні атоми вуглецю формують структури, що забезпечують максимальну жорсткість.
Цей прорив може мати значний вплив на аерокосмічну галузь, зокрема на виробництво літаків і космічних апаратів. Зменшення ваги деталей дозволить скоротити витрати пального та зменшити викиди забруднюючих речовин.
«Наприклад, заміна титанового компонента літака на наш матеріал може заощадити 80 літрів пального на рік на кожен кілограм заміненого матеріалу», — зазначає Серлс.
Дослідники планують продовжити роботу над комерційним використанням цих матеріалів, зосередивши зусилля на створенні повноцінних конструкцій, що зберігають легкість та міцність. Вони також мають намір продовжити дослідження нових конструкцій, які дозволять ще більше знизити щільність матеріалу без втрати його міцності.
