Исследователи Университета Торонто разработали уникальные наноматериалы, которые сочетают прочность углеродистой стали с легкостью пенополистирола. Это открытие может значительно повлиять на различные отрасли, включая автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность.
Команда ученых под руководством профессора Тобина Филлета создала материалы с исключительным балансом прочности, веса и гибкости в настройке. Их структура состоит из крошечных строительных блоков размером всего несколько сотен нанометров. Для наглядности: более 100 таких элементов, выстроенных в ряд, лишь сравнялись бы с толщиной человеческого волоса.
Роль искусственного интеллекта
Ключевую роль в разработке сыграл алгоритм машинного обучения, использующий метод байесовской оптимизации. Он позволил определить наилучшие геометрические параметры для повышения прочности и равномерного распределения напряжения в наноструктурах. В отличие от традиционных методов, требующих десятков тысяч образцов, этот алгоритм работал всего с 400 высококачественными данными. На данном этапе проекта ученые сотрудничали с профессором Сынхва Рю и аспирантом Джинвуком Йо из Корейского института передовых технологий.
Это первое в истории применение машинного обучения для оптимизации наноматериалов. По словам ведущего автора исследования Питера Серлеса, опубликованного в журнале Advanced Materials, результаты превзошли ожидания. Алгоритм не просто воспроизводил удачные образцы из обучающей выборки, а самостоятельно предсказывал совершенно новые формы решетчатых структур, учитывая эффективность различных геометрий.
Для проверки технологии исследователи напечатали прототипы на 3D-принтере с двухфотонной полимеризацией. Оптимизированные углеродные нанорешетки оказались более чем в два раза прочнее существующих аналогов, выдерживая нагрузку 2,03 мегапаскаля на кубический метр при заданной плотности — это в пять раз выше, чем у титана.
Зачем это нужно?
Перспективы применения этих материалов обширны. Профессор Филлетер прогнозирует, что аэрокосмическая отрасль сможет использовать их для создания сверхлегких деталей самолетов, вертолетов и космических аппаратов. Замена титановых компонентов на новые наноматериалы позволит снизить расход топлива: по расчетам ученых, экономия составит около 80 литров в год на каждый килограмм замененного материала, что поможет уменьшить углеродный след авиации.
Проект объединил специалистов в области материаловедения, машинного обучения, химии и механики, включая партнеров из Германии (Институт технологий Карлсруэ), США (MIT и Университет Райса). Следующим этапом станет масштабирование производства и разработка новых матричных структур, которые позволят еще больше снизить плотность материала без потери прочности и жесткости.
