Надлегкий матеріал, міцніший за титан ─ ШІ розрахував оптимальну структуру
Надлегкий матеріал, міцніший за титан ─ ШІ розрахував оптимальну структуру

Надлегкий матеріал, міцніший за титан ─ ШІ розрахував оптимальну структуру

Зображення геометричної решітки матеріалу з 18,75 млн осередків, що плаває на бульбашці / Петер Серлс

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?

«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.

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.

Надлегкий матеріал, міцніший за титан ─ ШІ розрахував оптимальну структуру
Багатоцільова Байєсова оптимізація для генеративної конструкції вуглецевих нанорешіток із високою жорсткістю і міцністю при низькій щільності / Advanced Materials

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.

Спецпроєкти

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.

«Це перший випадок, коли машинне навчання використано для оптимізації наноструктурованих матеріалів, і результати нас вразили», — каже Серлс. «ШІ не просто повторював відомі вдалі геометрії, а створював абсолютно нові ефективні форми.»

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.

«Наприклад, заміна титанового компонента літака на наш матеріал може заощадити 80 літрів пального на рік на кожен кілограм заміненого матеріалу», — зазначає Серлс.

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

Джерело матеріала
loader