Toronto universitātes pētnieki ir izstrādājuši unikālu materiālu, apvienojot mašīnmācīšanos (AI) ar nanotehnoloģijām. Šis atklājums var fundamentāli mainīt veselas nozares, no kosmosa līdz automobiļu rūpniecībai.
Inženieri gadu desmitiem ir centušies radīt materiālus, kas būtu gan viegli, gan ārkārtīgi izturīgi. Tas ir īpaši svarīgi kosmosa nozarē, kur pat neliela svara samazināšana var ievērojami ietaupīt degvielu un uzlabot efektivitāti. Tradicionālajiem materiāliem, piemēram, alumīnijam un titānam, ir savi ierobežojumi, bet oglekļa šķiedra, lai gan revolūcija, nav ideāls risinājums.
Kanādas zinātnieki izlēma izmantot nanostrukturētus materiālus, kas imitē dabas formas, piemēram, kaulus, čaulas vai šūnas. Viņi radīja ģeometrijas, kas vienmērīgi sadala slodzi, izvairoties no vājajām vietām, kur var sākties bojājumi.
Lai atrastu optimālās formas, pētnieki pielietoja Baijesa optimizāciju – mašīnmācīšanās metodi, kas palīdz izvēlēties labāko variantu starp daudziem iespējamiem. Viņi izmantoja datus no tūkstošiem datoru simulāciju, lai noteiktu visefektīvākās formas savām oglekļa nanorežģēm.
Kā darbojas tehnoloģija?
«Nanoarhitektūras materiāli apvieno ļoti efektīvas formas, līdzīgas trīsstūrveida konstrukcijām tiltos, bet nano līmenī, kas ļauj sasniegt rekordlielu izturības un svara attiecību,» paskaidro pētniecības galvenais autors Pēteris Serls.
Algoritms izveidoja tūkstošiem iespējamo konstrukciju, kuras tika testētas virtuālā vidē, izmantojot galīgo elementu metodi (izturības aprēķiniem). Pēc tam datorprogramma pakāpeniski pilnveidoja šīs konstrukcijas, līdz atrada optimālas struktūras ar maksimālu izturību un stingrību pie minimāla svara.
Izraudzītās konstrukcijas pētnieki fiziski atveidoja, izmantojot divu fotonu polimerizāciju – 3D drukas metodi ar nanometru precizitāti.
Viņi izveidoja režģus, kas sastāv no struktūrām, kuru biezums ir tikai no 300 līdz 600 nm. Pēc tam šos režģus (6,3×6,3×3,8 mm), kas sastāv no 18,75 miljoniem atsevišķu šūnu, pakļāva pirolīzei – karsēšanai līdz 900°C slāpekļa vidē, kas pārveidoja polimēru stikla oglekļa veidā.
Optimizētās nanorežģes vairāk nekā divkāršoja iepriekšējo konstrukciju izturību. Viņi izturēja slodzi 2,03 megapascalus uz kubikmetru uz kilogramu blīvuma. Perspektīvā tas vairāk nekā 10 reizes pārsniedz daudzu vieglo materiālu, piemēram, alumīnija sakausējumu vai oglekļa šķiedras, izturību. Tie ir arī 5 reizes izturīgāki par titānu.
«Šī ir pirmā reize, kad mašīnmācīšanās tiek izmantota nanostrukturētu materiālu optimizācijai, un rezultāti mūs pārsteidza,» saka Serls. «AI ne tikai atkārtoja zināmas veiksmīgas ģeometrijas, bet radīja pilnīgi jaunas efektīvas formas.»
Interesanti, ka jo mazāk ir nanorežģes, jo tās ir izturīgākas. Tas ir saistīts ar «izmēra efektu» – parādību, ka materiāli ļoti mazos mērogos uzvedas citādi.
Zinātnieki atklāja, ka, samazinot oglekļa stieņu diametru līdz 300 nanometriem, to izturība strauji pieauga. Tas izskaidrojams ar to, ka nano līmenī oglekļa atomi veido struktūras, kas nodrošina maksimālu stingrību. Stieņu ārējā kārta sastāvēja no 94% sp²-saistīta oglekļa, kas pazīstams ar savu izcilo izturību. Pateicoties tam, materiāls iztur lielas slodzes, nesalaužoties.
Praktiskā pielietojuma joma
Šis izrāviens var ievērojami mainīt kosmosa nozari, lidmašīnu, helikopteru un kosmosa ierīču ražošanu. Vieglākas detaļas ļaus samazināt degvielas patēriņu un izplūdes gāzes.
«Piemēram, aizstājot lidmašīnas titāna komponentu ar mūsu materiālu, varētu ietaupīt 80 litrus degvielas gadā par katru kilogramu aizstātā materiāla,» atzīmē Serls.
Pētnieki plāno paplašināt savus risinājumus komerciālai izmantošanai. Nākamie soļi būs vērsti uz pilnvērtīgu konstrukciju izveidi ar šiem materiāliem, saglabājot to izturību un vieglumu. Plānots arī turpināt jaunu konstrukciju meklēšanu, kas ļaus vēl vairāk samazināt materiāla blīvumu, nezaudējot izturību.
Avots: zmescience
Komentāri (0)
Šobrīd nav neviena komentāra