Легкие, как пена, и прочные, как сталь: новые материалы будущего

Инженеры и ученые Университета Торонто совершили настоящий прорыв в материаловедении, используя машинное обучение и передовые методы 3D-печати. Им удалось создать уникальные наноматериалы, которые одновременно обладают исключительной прочностью и легкостью, что открывает огромные возможности для применения в таких отраслях, как аэрокосмос и автомобилестроение.

Результаты исследования, опубликованные в престижном журнале Advanced Materials, описывают разработку наноструктурированных решеток с уникальными свойствами. Команда под руководством профессора Тобина Филлета представила материалы с непревзойденным сочетанием легкости и механической прочности, что станет настоящим переворотом для промышленности.

«Мы использовали концепцию наноархитектурных структур, где миниатюрные формы вроде треугольников играют ключевую роль, — объясняет Питер Серлес, ведущий автор работы. — Эти структуры позволяют добиться высоких соотношений прочности и жесткости к весу, которые раньше считались невозможными».

Проблемы и решения: как ИИ меняет подход

Стандартные геометрии наноархитектурных материалов часто страдают от концентрации напряжений в местах пересечений, что ограничивает их долговечность. Именно эту проблему удалось решить с помощью алгоритмов машинного обучения.

В сотрудничестве с учеными из Корейского института науки и технологий (KAIST), исследователи разработали алгоритм байесовской оптимизации, который обучался на данных моделирования и предлагал оптимальные конструкции. Созданные структуры показали исключительные результаты: прочность увеличилась более чем в два раза, а нагрузка, выдерживаемая материалом, достигла 2,03 мегапаскаля на килограмм плотности — в пять раз выше, чем у титана!

Технология производства

Для проверки теоретических моделей использовался двухфотонный 3D-принтер. Эта инновационная технология позволила создать прототипы из углерода на микро- и наномасштабах. Такой подход не только увеличил прочность, но и открыл дорогу к созданию материалов, которые идеально подходят для применения в самолетах, вертолетах и даже космических кораблях.

«Замена всего одного килограмма титана на наш материал может сэкономить до 80 литров топлива в год, что значительно снижает углеродный след», — отмечает Серлес.

Будущее наноматериалов

Исследователи не останавливаются на достигнутом. В планах команды — дальнейшее совершенствование масштабирования производства для создания крупногабаритных компонентов. Они также планируют изучать новые геометрические конструкции, которые позволят еще больше снизить плотность, сохраняя высокий уровень прочности.

«Это только начало, — утверждает профессор Филлетер. — Мы уверены, что наша работа заложит основу для разработки материалов нового поколения, которые изменят подходы к производству и эксплуатационным характеристикам».

Благодаря такому подходу материалы, казавшиеся фантастикой, становятся реальностью, готовой преобразить технологии.