Группа ученых из Канады с помощью искусственного интеллекта разработала углеродные нанорешетки, которые по прочности сопоставимы с углеродистой сталью, но при этом обладают плотностью, как у пенополистирола.
Как отмечают ученые, это первый случай, когда искусственный интеллект применили для оптимизации наноструктурированных материалов. Один из авторов работы, Питер Серлес из Университета Торонто, подчеркнул, что алгоритм машинного обучения не просто воспроизводил известные удачные геометрические формы, а анализировал их изменения, выявляя наиболее эффективные конструкции. Это позволило ему предсказывать принципиально новые архитектуры решеток.
Наноматериалы создаются путем точного расположения атомов или молекул, подобно строительству конструкций из крошечных деталей LEGO. Такая упорядоченность формирует трехмерные решетки, которые определяют уникальные физические, химические и электронные свойства материала.
В ходе работы ученые совместно с коллегами из Южной Кореи применили алгоритм машинного обучения multi-objective Bayesian optimization. Он позволил предсказать оптимальные геометрические формы, обеспечивающие наилучшее распределение нагрузки и высокий коэффициент прочности при минимальном весе.
Для создания прототипа нанорешеток использовался высокоточный 3D-принтер Nanoscribe Photonic Professional GT2, стоимость которого составляет сотни тысяч долларов. Метод двухфотонной полимеризации позволил напечатать материал с исключительной точностью на наноуровне.
Результаты экспериментов показали, что разработанные нанорешетки выдерживают нагрузку в пять раз большую, чем титан, оставаясь при этом легкими и жесткими. Это открывает перспективы для применения материала в аэрокосмической отрасли.
«Если заменить титановые компоненты в самолете этим материалом, можно добиться экономии топлива в 80 литров в год на каждый замененный килограмм», — отметил Серлес.
Исследователи намерены продолжить работу над созданием еще более прочных и легких материалов, а также разрабатывать способы их массового производства, чтобы сделать технологию более доступной.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
