Зображення геометричної решітки матеріалу з 18,75 мільйонами клітин, що плавають на міхур / Пітер Серлс
Дослідники з Університету Торонто розробили унікальний матеріал, поєднуючи машинне навчання (AI) з нанотехнологією. Це відкриття може різко змінити всю галузь, від аерокосмічної до автомобільної промисловості.
Протягом десятиліть інженери намагалися створювати матеріали, які були б легкими та надзвичайно міцними одночасно. Це особливо важливо в аерокосмічній сфері, де навіть незначне схуднення може значно заощадити паливо та підвищити ефективність. Традиційні матеріали, такі як алюміній та титан, мають власні обмеження, а вуглецеве волокно, хоча і революційне, не є ідеальним рішенням.
Канадські вчені вирішили використовувати наноструктуровані матеріали, що імітують природні форми, такі як кістки, снаряди або соти. Вони створили геометричні форми, які рівномірно розподіляють навантаження, уникаючи слабких місць, де може розпочатися руйнування.
Щоб знайти оптимальні форми, дослідники використовували оптимізацію Bayes – метод машинного навчання, який допомагає вибрати найкращий варіант серед багатьох можливих. Вони використовували дані тисяч комп’ютерних моделювання для визначення найбільш ефективних форм для їх вуглецевих нанореорів.
Як працює технологія?
“Наноарійні матеріали поєднують форми з високою ефективністю, подібними до трикутних структур у мостах, але на Нанові, що дозволяє досягти рекордного співвідношення сили ваги”, – пояснює Пітер Серлс, головний автор дослідження.
Алгоритм створив тисячі можливих структур, які були перевірені у віртуальному середовищі, використовуючи кінцеві елементи (розрахунки міцності). Потім комп’ютерна програма поступово покращувала ці структури, поки не знайшла оптимальні структури з максимальною міцністю та жорсткістю з мінімальною вагою.
Оптимізація мультисторів Байєсов для генеративної структури
Дослідники були фізично відібрані за допомогою 3D-друкованого двофотонного полімеризації з точністю нанометра.
Вони створили решітки, що складаються з товщини споруд лише від 300 до 600 нм. Потім ці решітки (6,3 × 6,3 × 3,8 мм), що складаються з 18,75 мільйонів окремих клітин, нагрівали до 900 ° С у азотному середовищі, що перетворило полімер у вуглець склоподібного.
Спеціальний про-інтерес-GSM переходить до GSM: високоякісна облігація, низька плата за підписку та три формати SIM-картки
Оптимізовані наноміти збільшили міцність попередніх структур більш ніж удвічі. Вони витримували навантаження 2,03 мегаскаля на кубічний метр на кілограм щільності. В майбутньому це в 10 разів вище, ніж міцність багатьох легких матеріалів, таких як алюмінієві сплави або вуглецеве волокно. Вони також в 5 разів сильніші за титан.
“Це перший раз, коли тренування автомобілів використовується для оптимізації матеріалів, і результати були досягнуті”, – каже Сірллс. “Вона не тільки повторила знамениту успішну геометрію, але й створила абсолютно нові ефективні форми”.
Цікаво, що чим менші нфрісти, тим сильніші вони. Це пов’язано з «ефектом розміру» – явищем, в якому матеріали в надзвичайно малому масштабі поводяться таким же чином.
Вчені встановили, що коли діаметр вуглецевих променів зменшується до 300 нанометрів, їх сила різко зросла. Це пов’язано з тим, що атоми вуглецю побудовані в структурах, що забезпечують максимальну жорсткість. Зовнішній шар променів складався з 94% вуглецю, пов’язаного з SP², який відомий своєю винятковою міцністю. Завдяки цьому матеріал може витримувати величезні навантаження без брухту.
Практичне застосування
Цей прорив може суттєво змінити аерокосмічну промисловість, виробництво літаків, вертольотів та космічних кораблів. Деталі деталі зменшують витрати на пальне та зменшують викиди.
“Наприклад, заміна титанового компонента літака може заощадити 80 літрів палива на рік для кожного кілограма заміненого матеріалу”, – каже Серлс.
Дослідники планують масштабувати свої розробки для комерційного використання. Їх наступні кроки будуть спрямовані на створення повних споруд з цими матеріалами, підтримувати їх силу та легкість. Також планується продовжувати пошук нових структур, які ще більше зменшать щільність матеріалу без втрати міцності.
