Надлегкий матеріал, міцніший за титан ─ ШІ розрахував оптимальну структуру

Дослідники з Університету Торонто розробили унікальний матеріал, поєднавши машинне навчання (ШІ) з нанотехнологіями. Це відкриття може кардинально змінити цілі галузі, від аерокосмічної до автомобільної промисловості.

Інженери десятиліттями намагалися створити матеріали, які були б одночасно легкими та надзвичайно міцними. Це особливо важливо в аерокосмічній сфері, де навіть незначне зменшення ваги може суттєво заощадити пальне та покращити ефективність. Традиційні матеріали, такі як алюміній і титан, мають свої обмеження, а вуглецеве волокно, хоч і революційне, не є ідеальним рішенням.

Канадські вчені вирішили використовувати наноструктуровані матеріали, які імітують природні форми, такі як кістки, мушлі чи стільники. Вони створили геометричні форми, що рівномірно розподіляють навантаження, уникаючи слабких місць, де може початися руйнування.

Щоб знайти оптимальні форми, дослідники застосували Байєсову оптимізацію — метод машинного навчання, що допомагає вибирати найкращий варіант серед безлічі можливих. Вони використали дані з тисяч комп’ютерних симуляцій, щоб визначити найбільш ефективні форми для своїх карбонових нанорешіток.

Як працює технологія?

Алгоритм створив тисячі можливих конструкцій, які тестувалися у віртуальному середовищі за допомогою методу кінцевих елементів (розрахунків на міцність). Потім комп’ютерна програма поступово вдосконалювала ці конструкції, поки не знайшла оптимальні структури з максимальною міцністю та жорсткістю при мінімальній вазі.

Відібрані конструкції дослідники відтворили фізично за допомогою двофотонної полімеризації — методу 3D-друку з нанометровою точністю.

Вони створили решітки, що складаються зі структур товщиною лише від 300 до 600 нм. Потім ці решітки (6,3×6,3×3,8 мм), що складаються з 18,75 млн окремих клітин, піддавали піролізу — нагріванню до 900°C у середовищі азоту, що перетворювало полімер у склоподібний вуглець.

Оптимізовані нанорешітки більш ніж удвічі збільшили міцність попередніх конструкцій. Вони витримали навантаження 2,03 мегапаскаля на кубічний метр на кілограм щільності. У перспективі це більш ніж у 10 разів перевершує міцність багатьох легких матеріалів, таких як алюмінієві сплави чи вуглецеве волокно. Вони також у 5 разів міцніші за титан.

Цікаво, що чим менші нанорешітки, тим вони міцніші. Це пов’язано з «ефектом розміру» — явищем, при якому матеріали на надзвичайно малих масштабах поводяться інакше.

Вчені виявили, що при зменшенні діаметра вуглецевих балок до 300 нанометрів їхня міцність різко зростала. Це пояснюється тим, що на нанорівні атоми вуглецю шикуються у структури, які забезпечують максимальну жорсткість. Зовнішній шар балок складався на 94% із sp²-зв’язаного вуглецю, який відомий своєю винятковою міцністю. Завдяки цьому матеріал витримує величезні навантаження, не ламаючись.

Практичне застосування

Цей прорив може значно змінити аерокосмічну галузь, виробництво літаків, гелікоптерів і космічних апаратів. Легші деталі дозволять зменшити витрати пального та скоротити викиди.

Дослідники планують масштабувати свої розробки для комерційного використання. Їхні наступні кроки будуть спрямовані на створення повноцінних конструкцій з цими матеріалами, зберігаючи їхню міцність і легкість. Також планується продовжувати пошук нових конструкцій, що дозволять ще більше зменшити щільність матеріалу без втрати міцності.

Джерело: zmescience