Naukowcy z Wydziału Nauk Stosowanych i Inżynierii Uniwersytetu Toronto dokonali przełomu w dziedzinie inżynierii materiałowej, wykorzystując sztuczną inteligencję (SI) do stworzenia materiału o niezwykłym stosunku wagi do wytrzymałości. Nowa struktura, będąca wynikiem precyzyjnych symulacji i nanoskalowej produkcji 3D, jest lekka jak styropian, ale dorównuje wytrzymałością stali. Uzyskany materiał może zrewolucjonizować przemysł lotniczy, motoryzacyjny, obronny i wiele innych sektorów, wprowadzając znaczące oszczędności paliwowe oraz obniżając emisję dwutlenku węgla.

Sztuczna inteligencja na usługach inżynierii

Projektowanie materiałów nanoarchitektonicznych jest niezwykle trudne, głównie ze względu na ich złożoność geometryczną. Tradycyjne siatkowe konstrukcje nano nie radzą sobie najlepiej z koncentracją naprężeń na ostrych krawędziach, co często prowadzi do ich przedwczesnego pękania. W odpowiedzi na ten problem naukowcy z Uniwersytetu w Toronto we współpracy z Koreańskim Instytutem Zaawansowanej Nauki i Technologii (Korea Advanced Institute of Science & Technology – KAIST) zastosowali algorytm uczenia maszynowego do optymalizacji kształtów struktur w skali nano.

Nanoarchitektura to specjalna forma projektowania materiałów oparta na nanoskalowych elementach, których wielkość sięga ułamków mikrometra. Ich unikalna struktura pozwala na uzyskanie niezwykłych właściwości mechanicznych przy minimalnej wadze.

Algorytm, bazujący na wielokryterialnej optymalizacji bayesowskiej (MBO), przeanalizował tysiące symulowanych geometrii, aby wybrać te, które najlepiej rozkładają naprężenia przy zachowaniu minimalnej masy. Zamiast po prostu kopiować sprawdzone wzory, SI generowała zupełnie nowe, optymalne konstrukcje, które były następnie weryfikowane eksperymentalnie. W efekcie udało się uzyskać znacznie lepsze właściwości mechaniczne niż w dotychczas stosowanych rozwiązaniach.

Wielokryterialna optymalizacja bayesowska (MBO) to metoda optymalizacji, która wykorzystuje modele probabilistyczne do efektywnego znajdowania najlepszych rozwiązań w problemach o wielu kryteriach. W przeciwieństwie do klasycznych metod, MBO inteligentnie eksploruje przestrzeń parametrów, minimalizując liczbę wymaganych prób. W projektowaniu materiałów pozwala na optymalizację kształtu struktur nanoarchitektonicznych, poprawę wytrzymałości i redukcję masy. Dzięki temu proces projektowania jest szybszy, mniej kosztowny i skuteczniejszy w znajdowaniu innowacyjnych rozwiązań.

Druk 3D w skali nano

Ostateczne prototypy materiałów powstały przy pomocy dwufotonowej polimeryzacji (2PP), jednej z najbardziej precyzyjnych metod druku 3D na poziomie nano. Drukowane struktury miały średnicę elementów od 300 do 600 nanometrów, co pozwoliło na stworzenie ultralekkich, a zarazem niezwykle wytrzymałych szkieletów.

Dodatkowo, poddano je procesowi pirolizy, w wyniku którego polimer zamienił się w czysty węgiel o specyficznej strukturze atomowej, przypominającej diament. To właśnie ta unikalna mikrostruktura pozwoliła na uzyskanie niespotykanego stosunku wytrzymałości do wagi. Materiał ten charakteryzuje się wyjątkową odpornością na odkształcenia, co czyni go jednym z najbardziej wytrzymałych znanych tworzyw.

Piroliza to proces termicznego przekształcania materiałów organicznych w wysokiej temperaturze i przy ograniczonym dostępie tlenu, prowadzący do usunięcia zbędnych składników i uzyskania czystego, wysoko wytrzymałego węgla.

Materiał pięciokrotnie mocniejszy od tytanu

Efektem tych prac jest nanoarchitektoniczny materiał, który wytrzymuje nacisk 2,03 MPa na każdy kilogram masy na metr sześcienny, co oznacza pięciokrotnie większą wytrzymałość niż tytan przy znacznie niższej masie. Jego gęstość wynosi zaledwie 125–215 kg/m³, co czyni go porównywalnym do styropianu, ale pod względem wytrzymałości przypomina stal węglową.

Zastosowania: od lotnictwa po przemysł motoryzacyjny

Nowo opracowany materiał może znaleźć zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Największy potencjał tkwi w lotnictwie i motoryzacji, gdzie redukcja masy przekłada się na mniejsze zużycie paliwa i niższą emisję CO₂. W obronności materiały te mogą posłużyć do budowy odpornych na uderzenia elementów pojazdów wojskowych oraz osłon balistycznych.

Obliczenia wskazują, że zastąpienie tytanowych komponentów w samolotach nowym nanomateriałem mogłoby przynieść oszczędności rzędu 80 litrów paliwa rocznie na każdy kilogram zastąpionego materiału. Może to mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości lotnictwa, redukując emisję i koszty eksploatacji.

Podobne korzyści mogą wynikać z zastosowania tego materiału w samochodach elektrycznych, gdzie zmniejszenie masy przekłada się na większy zasięg pojazdu na jednym ładowaniu. Lżejsze pojazdy wymagają mniej energii do napędzania, co zwiększa efektywność baterii i ogranicza eksploatacyjne koszty transportu.

Materiały te mogą również znaleźć zastosowanie w budownictwie nowoczesnych wieżowców i mostów, gdzie redukcja masy przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości pozwala na budowanie lżejszych, ale równie odpornych na obciążenia konstrukcji.

Wyzwania i przyszłość technologii

Choć materiał wykazuje obiecujące właściwości, wyzwaniem pozostaje jego masowa produkcja. Naukowcy pracują nad skalowaniem procesu, aby umożliwić tworzenie większych komponentów w sposób ekonomicznie opłacalny. Kluczowe jest również dalsze udoskonalanie geometrii, aby maksymalnie zredukować gęstość przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości.

Dodatkowe badania koncentrują się na zrozumieniu mechanizmów atomowych odpowiadających za unikalną wytrzymałość nowego materiału. Głębsza analiza struktury pozwoli jeszcze bardziej zoptymalizować jego właściwości, umożliwiając zastosowanie w szerokim spektrum technologii przyszłości.

Ostatecznym celem jest wprowadzenie tych materiałów do codziennego użytku, od nowoczesnych samolotów, przez samochody elektryczne, po technologie ochronne. Integracja sztucznej inteligencji z inżynierią materiałową otwiera nowe możliwości, zmieniając sposób projektowania i wykorzystywania materiałów w XXI wieku.

– Mamy nadzieję, że te nowe projekty materiałów ostatecznie doprowadzą do popularyzacji ultralekkich komponentów w zastosowaniach lotniczych – samoloty, śmigłowce i statki kosmiczne będą zużywać znacznie mniej paliwa w czasie lotu, jednocześnie zachowując bezpieczeństwo i wytrzymałość — powiedział współautor odkrycia Tobin Filleter, profesor inżynierii na Uniwersytecie w Toronto.

źródło: livescience.com, news.engineering.utoronto.ca, thebrighterside.news