Naukowcy z Uniwersytetu w Toronto dokonali przełomu w projektowaniu materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach. Tzw. materiały nanostrukturalne łączą wytrzymałość stali z lekkością styropianu. Odkrycie to może całkowicie odmienić przemysł lotniczy, motoryzacyjny, a także w wielu innych sektorach, które od lat szukają wytrzymalszych i lżejszych komponentów.
Czytaj też: Ten prosty materiał zastąpi skomplikowane systemy wentylacyjne w naszych domach
Dzięki unikalnej budowie, bazującej na nanokratownicach, materiały te oferują niezwykle korzystny stosunek wytrzymałości do masy. Co więcej, ich projektowanie i optymalizacja stały się możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanych algorytmów uczenia maszynowego. Szczegóły opublikowano w czasopiśmie Advanced Materials.
Nowe supermateriały zrewolucjonizują niejedną branżę
Podstawą sukcesu jest mikroarchitektura. Materiały te składają się z niezwykle małych jednostek konstrukcyjnych, których rozmiar nie przekracza kilkuset nanometrów. W skali porównawczej oznacza to, że w rzędzie potrzeba ponad stu takich jednostek, by osiągnąć grubość ludzkiego włosa. Ich podstawowym budulcem jest węgiel, a cała struktura oparta jest na przestrzennie rozmieszczonych nanokratownicach – skomplikowanych, trójwymiarowych sieciach.
Czytaj też: Grafenowe tsunami. Naukowcy ujarzmiają fale elektronowe na powierzchni materiału przyszłości
To podejście pozwala wykorzystać efekt “mniejszy znaczy mocniejszy”, czyli zasadę, zgodnie z którą w nanoskali materiały mogą wykazywać zupełnie inne właściwości mechaniczne niż ich makroskopowe odpowiedniki. To właśnie dzięki tej właściwości nowa technologia pozwala osiągnąć niezwykle wysoką wytrzymałość przy zachowaniu niskiej masy.
Jednym z głównych problemów związanych z nanoarchitekturą materiałów są naprężenia powstające w miejscach połączeń. Standardowe struktury krystaliczne, używane w mikroskali, mają tendencję do tworzenia ostrych narożników, co prowadzi do koncentracji naprężeń i osłabienia całego materiału. W konsekwencji może to skutkować przedwczesnym pękaniem i ograniczeniem potencjalnych zastosowań tych materiałów.
Rozwiązanie tego problemu zaproponował zespół badawczy pod kierunkiem dr Petera Serlesa we współpracy z prof. Tobinem Filleterem z Uniwersytetu w Toronto oraz zespołem naukowców z Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) w Daejeon. Aby zoptymalizować struktury nanokratownic, badacze zastosowali algorytm uczenia maszynowego oparty na wnioskowaniu bayesowskim.
To przełomowe podejście pozwoliło komputerowi analizować i przewidywać, które geometrie będą najbardziej efektywne w dystrybucji naprężeń i poprawie wytrzymałości materiału. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod uczenia maszynowego, które wymagają tysięcy próbek danych, ten model wykorzystał zaledwie 400 symulacji, by znaleźć optymalne struktury. Oznacza to, że naukowcy mogli pracować na mniejszym, ale znacznie bardziej precyzyjnym zestawie danych, co znacząco przyspieszyło proces odkrywania nowych układów nanokratownic.
Jednym z najbardziej obiecujących obszarów wykorzystania nowych materiałów jest przemysł lotniczy. Dzięki połączeniu lekkości i wytrzymałości mogą one być stosowane w konstrukcjach samolotów, helikopterów czy statków kosmicznych, znacząco redukując ich masę i tym samym zmniejszając zużycie paliwa.
Jak podkreśla Serles, zastąpienie tytanowych komponentów samolotu nowym materiałem mogłoby skutkować oszczędnością 80 litrów paliwa rocznie na każdy kilogram wymienionego elementu. Taka optymalizacja mogłaby znacznie ograniczyć emisję dwutlenku węgla i wpłynąć na bardziej ekologiczną przyszłość lotnictwa.
Oprócz lotnictwa, materiał może znaleźć zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie jego lekkość pozwoliłaby na poprawę osiągów i efektywności paliwowej pojazdów. Inżynierowie widzą również potencjał w budowie lekkich, a jednocześnie odpornych na uszkodzenia implantów medycznych, części turbin wiatrowych czy zaawansowanych komponentów do druku 3D.
O ile technologia ta przynosi rewolucyjne możliwości, wciąż pozostaje wyzwanie związane z produkcją na skalę przemysłową. Obecnie naukowcy koncentrują się na skalowaniu tej technologii, aby umożliwić wytwarzanie materiałów w większych ilościach i w sposób bardziej opłacalny.