Прочность стали и лёгкость пенопласта: машинное обучение и 3D-печать открыли путь для особого материала

Исследователи из Университета Торонто использовали машинное обучение для разработки наноструктурированных материалов. Свойства новинок удивительны: прочность углеродистой стали и при этом лёгкость, как у пенопласта.


Группа канадских специалистов под руководством профессора Тобина Филлетара создала наноматериалы, сочетающие в себе исключительную прочность, малый вес и возможность подстраивать изделия под различные нужды. Польза от изобретения может заинтересовать представителей разных отраслей, от автомобилестроения до аэрокосмической промышленности.

Подробности изложил соавтор научной работы Питер Серлес. Он сказал, что наноструктурированные материалы сочетают в себе, например, мостики из треугольников, что позволяет использовать эффект «чем меньше, тем прочнее». Тем самым и удалось достичь высочайшего соотношения прочности и жёсткости к весу среди всех известных ныне материалов.

Типичные формы и геометрия решёток, как правило, имеют острые пересечения и углы, что приводит к преждевременному разрушению материалов.


— Серлес.

Материалы из наноструктур состоят из крошечных строительных блоков или повторяющихся элементов размером в несколько сотен нанометров. Чтобы получить толщину с человеческий волос, потребуется сложить более 100 таких блоков! Созданные из углерода, они образуют сложные объёмные нанорешётки.

Чтобы разработать удивительные материалы, Серлес и Филлетер работали с коллегами из Южной Кореи, Германии и США. Корейские участники проекта использовали многоцелевой алгоритм машинного обучения. На основе смоделированных геометрических форм программа предсказывала наилучшую геометрию для оптимального распределения напряжений и повышения соотношения прочности к весу у будущих наноконструкций.

Затем Серлес использовал 3D-принтер для создания реальных прототипов. Технология печати с так называемой двухфотонной полимеризацией позволяла создавать углеродные нанорешётки в микро- и наномасштабе.

Улучшенные нанорешётки более чем в два раза превзошли по прочности существующие конструкции. Они выдерживали нагрузку в 2,03 мегапаскаля на каждый кубический метр, что по плотности примерно в 5 раз выше, чем у титана.




— Серлес.

Многоцелевому байесовскому алгоритму оптимизации потребовалось всего 400 точек данных. А другим алгоритмам бывает необходимо 20 000 или более точек для построения структур. Таким образом, учёные смогли работать с небольшим, но чрезвычайно качественным набором данных.

Филлеттер выразил надежду, что новые материалы в итоге приведут к созданию сверхлёгких деталей для самолётов, вертолётов и космических кораблей. Это помогло бы сократить расход топлива, сохраняя при этом безопасность и производительность летательных аппаратов.


— Серлес.