Исследователи из Университета Торонто сделали значительный шаг в создании уникального материала, объединив машинное обучение с нанотехнологиями. Это открытие может существенно изменить различные отрасли, от аэрокосмической до автомобильной промышленности.
Об этом сообщает ProIT
Инновационный подход к созданию материалов
Исследователи на протяжении десятилетий пытались найти идеальное сочетание легкости и прочности в материалах. Это особенно важно в аэрокосмической промышленности, где даже незначительное снижение веса может существенно снизить затраты на топливо и повысить эффективность. Традиционные материалы, такие как алюминий и титан, имеют свои ограничения, а углеродное волокно, хоть и стало революционным, не является идеальным решением.
Канадские ученые решили использовать наноструктурированные материалы, которые имитируют природные структуры, такие как кости, раковины и соты. Они разработали геометрические формы, которые равномерно распределяют нагрузку, минимизируя риск возникновения слабых мест, которые могут привести к разрушению.
Оптимизация форм с помощью ИИ
«Наноархитектурированные материалы сочетают высокоэффективные формы, подобные треугольным конструкциям в мостах, но на наноуровне, что позволяет достичь рекордного соотношения прочности к весу», — объясняет Питер Серлс, главный автор исследования.
Ученые применили байесовскую оптимизацию, метод машинного обучения, чтобы выбрать наиболее эффективные формы для своих углеродных нанорешеток. Алгоритм создал тысячи возможных конструкций, которые тестировались в виртуальной среде, после чего программа совершенствовала конструкции, пока не были найдены оптимальные решения с максимальной прочностью и жесткостью при минимальном весе.
Отобранные конструкции физически воспроизвели с помощью двухфотонной полимеризации — метода 3D-печати с нанометровой точностью. Ученые создали решетки, состоящие из структур толщиной всего от 300 до 600 нанометров, которые подвергали пиролизу, превращая полимер в стекловидный углерод.
Оптимизированные нанорешетки продемонстрировали прочность, превышающую многие традиционные легкие материалы; они выдержали нагрузку 2,03 мегапаскаля на кубический метр на килограмм плотности, что превышает прочность титана в пять раз.
«Это первый случай, когда машинное обучение использовано для оптимизации наноструктурированных материалов, и результаты нас поразили», — отмечает Серлс. «ИИ не просто повторял известные успешные геометрии, а создавал абсолютно новые эффективные формы», — добавляет он.
Ученые обнаружили, что уменьшение диаметра углеродных балок до 300 нанометров приводит к значительному увеличению их прочности, что объясняется явлением «эффекта размера». Это означает, что на наноуровне атомы углерода формируют структуры, обеспечивающие максимальную жесткость.
Этот прорыв может оказать значительное влияние на аэрокосмическую отрасль, в частности на производство самолетов и космических аппаратов. Снижение веса деталей позволит сократить затраты на топливо и уменьшить выбросы загрязняющих веществ.
«Например, замена титановый компонента самолета на наш материал может сэкономить 80 литров топлива в год на каждый килограмм замененного материала», — отмечает Серлс.
Исследователи планируют продолжить работу над коммерческим использованием этих материалов, сосредоточив усилия на создании полноценных конструкций, которые сохраняют легкость и прочность. Они также намерены продолжить исследования новых конструкций, которые позволят еще больше снизить плотность материала без потери его прочности.
