Tim naučnika postigao je ono što se činilo nemogućim: materijal jak poput čelika, ali lagan poput polistirena. Zapravo, pet je puta jači od titana. To su postigli korištenjem umjetne inteligencije, koja im je pomogla razviti geometrijsku strukturu izgrađenu s karbonskim nanorešetkama. Otisnut u tri dimenzije, ovaj metamaterijal obećava promjenu proizvodne industrije ako uspiju postići njegovu proizvodnju u velikim razmjerima.

Istraživači na Fakultetu primijenjene znanosti i inžinjerstva Univerziteta u Torontu dizajnirali su ovaj materijal na nano nivou, koji ima snagu čelika, ali je lagan kao polistirenska pjena. U novom radu objavljenom u časopisu "Advanced Materials", tim predvođen profesorom Tobinom Filleterom opisuje kako su stvorili ovaj nanomaterijal koji ima, kako kaže, doista izvanredna svojstva. Mogao bi se koristiti u širokom rasponu, od automobila do svemirskih letjelica, komercijalnih i borbenih aviona.

- Nanoarhitektonski materijali kombiniraju oblike visokih performansi, poput izrade mosta od trokuta, na nanoskalima, postižući neke od najvećih omjera čvrstoće i težine i krutosti i težine od svih materijala - rekao je Peter Serles, autor studije. Međutim, standardni oblici i geometrije rešetke koji se koriste obično imaju oštra sjecišta i kutove, što dovodi do problema koncentracije naprezanja, kaže Serles, koji ističe da je to uzrokovalo lokalne kvarove i lomljenje materijala, ograničavajući njihov stvarni potencijal.

- To je nešto što su sada riješili pomoću umjetne inteligencije - kaže taj naučnik.

Nanoarhitektonski materijali izrađeni su od sićušnih građevinskih blokova ili ponavljajućih jedinica koje su veličine samo nekoliko stotina nanometara. Da biste dobili predodžbu o tome koliko su velike, potrebno vam je više od 100 listova materijala s uzorkom u nizu da dosegnu širinu ljudske vlasi. Ovi blokovi - koji su u ovom slučaju napravljeni od karbona - raspoređeni su u složene trodimenzionalne strukture koje se nazivaju nanorešetke ili nanomeše.

Kako bi dizajnirali novi materijal, Serles i Filleter radili su s profesorom Seunghwa Ryuom i doktorandom Jinwook Yeom na Korejskom naprednom institutu za nauku i tehnologiju (KAIST) u Daejeonu, Južna Koreja. Tim KAIST-a koristio je algoritam strojnog učenja multi-objektivnu Bayesovu optimizaciju. Da biste razumjeli što to znači, zamislite da imate robota koji uči kako kuhati špagete s paradajzom. Robot isprva ne zna ništa i radi stvari nasumično: prekuha tjesteninu, ne dinsta dovoljno paradajz, luk i papriku, dodaje previše vruće vode od kuhanja... Ali svaki put nešto pokuša, uči na svojim greškama i postupno se poboljšava.

Algoritam koji koristi KAIST je poput ovog robota za kuhanje. Umjesto da uči kuhati, uči kako stvoriti najbolju moguću strukturu za ovaj novi materijal. Da bi se to postiglo, koristi se tehnika pod nazivom "Bayesova optimizacija", tehnika koja algoritmu omogućuje vrlo učinkovito učenje, poput dobrog učenika koji izvlači najviše iz svake lekcije. Osim toga, ovaj algoritam je "multi-objektivan". To znači da ne traži samo najčvršću strukturu, već također uzima u obzir druge važne faktore, kao što su težina i fleksibilnost materijala.

Kao da robot za kuhanje nije htio samo napraviti ukusne špagete, već se pobrinuo da budu zdravi i lako probavljivi. U ovom slučaju, kuhar je iz simuliranih geometrija naučio predvidjeti najbolje moguće geometrije kako bi optimizirao raspodjelu naprezanja i poboljšao omjer snage i težine nanoarhitektonskih dizajna.

Nakon što su te 3D strukture dobivene na računaru, Serles je upotrijebio 3D printer smješten u Centru za istraživanje i primjenu u fluidnim tehnologijama (CRAFT) za izradu fizičkih prototipova za eksperimentalnu validaciju. Tehnologija aditivne proizvodnje koju je koristio omogućuje 3D ispis na mikro i nanoskali, stvarajući optimizirane karbonske nanorešetke. Ove optimizirane nanorešetke više su nego udvostručile čvrstoću postojećih dizajna, izdržavši naprezanje od 2,03 megapaskala po kubnom metru po kilogramu njihove gustoće, što je otprilike pet puta više od titana.

Naučnici se sada nadaju da će ovi dizajni novih materijala na kraju dovesti do ultralakih komponenti u zrakoplovnim i svemirskim aplikacijama kao što su avioni, helikopteri i svemirske letjelice koje mogu smanjiti zahtjeve za gorivom tokom leta uz održavanje sigurnosti i performansi. Sada će se usredotočiti na daljnje poboljšanje skaliranja ovih materijalnih dizajna kako bi se omogućile isplative makroskopske komponente – to jest, komponente u velikoj mjeri. Osim toga, nastavit će istraživati ​​nove dizajne koji spuštaju materijalnu arhitekturu na još nižu gustoću uz zadržavanje visoke čvrstoće i krutosti.