Pięć razy mocniejszy od tytanu - naukowcy stworzyli materiał przyszłości z pomocą AI

Naukowcy z Uniwersytetu w Toronto dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie nanomateriałów, tworząc strukturę o wytrzymałości stali węglowej, a jednocześnie lekką jak styropian. Odkrycie to może zrewolucjonizować przemysł lotniczy, motoryzacyjny oraz inne sektory wymagające ultralekkich i wytrzymałych materiałów.

Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Tobina Filletera opracował nanomateriały o niezwykłej wytrzymałości i elastyczności, które można dostosować do różnych zastosowań. Kluczowym elementem tej technologii są nanoskalowe jednostki strukturalne – maleńkie elementy o wielkości zaledwie kilkuset nanometrów. Aby uzmysłowić ich niewielkie rozmiary, wystarczy powiedzieć, że ponad 100 takich jednostek ustawionych w linii odpowiadałoby grubości ludzkiego włosa.

Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Tobina Filletera opracował nanomateriały o niezwykłej wytrzymałości i elastyczności.

Sztuczna inteligencja w służbie inżynierii materiałowej

Rewolucyjnym aspektem tego odkrycia jest wykorzystanie uczenia maszynowego do optymalizacji geometrii nanomateriałów. Naukowcy zastosowali algorytm wielokryterialnej optymalizacji bayesowskiej, który pozwolił na precyzyjne określenie najlepszych kształtów zapewniających optymalne rozłożenie naprężeń oraz doskonały stosunek wytrzymałości do masy.

Podczas gdy tradycyjne metody wymagają nawet 20000 próbek danych, algorytm użyty przez badaczy poradził sobie zaledwie przy 400 próbkach, co znacząco przyspieszyło proces badawczy. Współpraca z naukowcami z Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii (KAIST), w tym z profesorem Seunghwa Ryu oraz doktorantem Jinwookiem Yeo, odegrała kluczową rolę w tym procesie.

Zaskakujące wyniki – przewyższają tytan pięciokrotnie

Dzięki wykorzystaniu zaawansowanej drukarki 3D z polimeryzacją dwufotonową, badacze stworzyli węglową nanosieć do testów wytrzymałościowych. Wyniki eksperymentów przeszły najśmielsze oczekiwania – zoptymalizowane struktury były ponad dwa razy mocniejsze od dotychczasowych, wytrzymując naprężenia 2,03 megapaskala na każdy metr sześcienny na kilogram gęstości. To oznacza, że materiał jest pięciokrotnie mocniejszy od tytanu, jednocześnie pozostając niezwykle lekki.

Przyszłość: od lotnictwa po kosmos

Odkrycie ma ogromny potencjał dla wielu gałęzi przemysłu. Profesor Filleter przewiduje, że materiały te znajdą zastosowanie w budowie ultralekkich komponentów lotniczych do samolotów, helikopterów i statków kosmicznych. Szacuje się, że zastąpienie tytanowych części w samolotach tym nowym materiałem może przynieść oszczędność 80 litrów paliwa rocznie na każdy kilogram wymienionego materiału, co mogłoby znacząco zredukować emisję dwutlenku węgla.

Co dalej? 

Projekt jest wynikiem międzynarodowej współpracy z naukowcami z MIT, Rice University oraz Instytutu Technologii w Karlsruhe (Niemcy). Następnym krokiem będzie skalowanie produkcji tych nowoczesnych materiałów, aby można było wykorzystać je na szerszą skalę. Badacze planują także eksperymentowanie z nowymi matrycami, aby jeszcze bardziej zmniejszyć gęstość materiału, jednocześnie zachowując jego wysoką wytrzymałość i sztywność.