Нанорешетка прочнее титана

13.02.2025

Создание легких и прочных материалов всегда было одной из ключевых задач для инженеров и ученых. Особенно актуальна эта проблема для аэрокосмической отрасли, где снижение веса конструкций может привести к значительной экономии топлива и повышению эффективности. Традиционные материалы, такие как алюминий и титан, обладают ограничениями, а углеродное волокно, хотя и является прорывным материалом, не всегда может обеспечить необходимые характеристики. И вот, исследователи из Университета Торонто представили революционный материал, который может кардинально изменить ситуацию.

Ученые разработали уникальный материал, который сочетает в себе легкость и высочайшую прочность. Секрет этого достижения заключается в использовании наноструктурированных материалов, которые имитируют природные формы, такие как кости, ракушки или соты. Эти формы обеспечивают равномерное распределение нагрузки, предотвращая образование слабых мест, где может начаться разрушение.

Для поиска оптимальных форм исследователи применили байесовскую оптимизацию - метод машинного обучения, который помогает выбирать лучший вариант среди множества возможных. Были использованы данные из тысяч компьютерных симуляций, чтобы определить наиболее эффективные формы для своих карбоновых нанорешеток.

"Наноархитектурные материалы сочетают высокоэффективные формы, подобные треугольным конструкциям в мостах, но на наноуровне, что позволяет достичь рекордного соотношения прочности к весу", - объясняет Питер Серлс, главный автор исследования.

Алгоритм создал тысячи возможных конструкций, которые тестировались в виртуальной среде с помощью метода конечных элементов.

Затем компьютерная программа постепенно совершенствовала эти конструкции, пока не нашла оптимальные структуры с максимальной прочностью и жесткостью при минимальном весе. Отобранные конструкции исследователи воспроизвели физически с помощью двухфотонной полимеризации - метода 3D-печати с нанометровой точностью. Они создали решетки, состоящие из структур толщиной всего от 300 до 600 нм. Затем эти решетки (6,3х6,3х3,8 мм), состоящие из 18,75 млн отдельных клеток, подвергались пиролизу - нагреванию до 900°C в среде азота, что превращало полимер в стекловидный углерод.

Оптимизированные нанорешетки более чем вдвое увеличили прочность предыдущих конструкций. Они выдержали нагрузку 2,03 мегапаскаля на кубический метр на килограмм плотности. В перспективе это более чем в 10 раз превосходит прочность многих легких материалов, таких как алюминиевые сплавы или углеродное волокно. Они также в 5 раз прочнее титана.

"Это первый случай, когда машинное обучение использовано для оптимизации наноструктурированных материалов, и результаты нас поразили", - отметил Серлс.

"ИИ не просто повторял известные удачные геометрии, а создавал совершенно новые эффективные формы". Интересно, что чем меньше нанорешетки, тем они прочнее. Это связано с "эффектом размера" - явлением, при котором материалы на чрезвычайно малых масштабах ведут себя иначе. Ученые обнаружили, что при уменьшении диаметра углеродных балок до 300 нанометров их прочность резко возрастала. Это объясняется тем, что на наноуровне атомы углерода выстраиваются в структуры, которые обеспечивают максимальную жесткость.

Внешний слой балок состоял на 94% из sp2-связанного углерода, который известен своей исключительной прочностью. Благодаря этому материал выдерживает огромные нагрузки, не ломаясь. Этот прорыв может значительно изменить аэрокосмическую отрасль, производство самолетов, вертолетов и космических аппаратов. Более легкие детали позволят уменьшить расход топлива и сократить выбросы. "Например, замена титанового компонента самолета на наш материал может сэкономить 80 литров топлива в год на каждый килограмм замененного материала", - отмечает Серлс.

Исследователи планируют масштабировать свои разработки для коммерческого использования. Их следующие шаги будут направлены на создание полноценных конструкций с этими материалами, сохраняя их прочность и легкость. Также планируется продолжать поиск новых конструкций, которые позволят еще больше уменьшить плотность материала без потери прочности. Это открытие является ярким примером того, как современные технологии, такие как машинное обучение и нанотехнологии, могут приводить к созданию революционных материалов, способных изменить наш мир.

<< Назад: Лунные дата-центры 14.02.2025

>> Вперед: Отцовство меняет мозг 13.02.2025

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Польза белкового завтрака 14.01.2026

Правильное питание по утрам играет ключевую роль в поддержании здоровья и контроле веса. Многочисленные исследования подтверждают, что состав завтрака может влиять на аппетит в течение всего дня и качество употребляемой пищи. Австралийские ученые провели масштабный эксперимент, который показал, что употребление белковой пищи с утра помогает дольше чувствовать сытость и предотвращает переедание. В исследовании участвовали более 9 тысяч человек среднего возраста 46 лет. В период с 2011 по 2012 год специалисты анализировали рационы респондентов, оценивая долю основных макронутриентов. В среднем участники потребляли 43% углеводов, 31% жиров, 18% белков, 2% клетчатки и 4% алкоголя. Такой рацион позволил ученым проследить взаимосвязь между утренним приемом пищи и пищевым поведением в течение дня. Выяснилось, что участники, чей завтрак содержал недостаточное количество белка, ощущали повышенный аппетит в течение дня. Они ели больше, чем необходимо, и часто выбирали продукты с высоким со ...>>

Технология SmartPower HDR 14.01.2026

Ноутбуки стремительно развиваются в плане графики и мультимедийных возможностей, но яркие дисплеи с высоким динамическим диапазоном (HDR) часто становятся серьезной нагрузкой для аккумуляторов. Длительная работа с видео высокого качества или играми в HDR приводит к быстрой разрядке батареи, что ограничивает мобильность пользователей и снижает комфорт работы. Решить эту проблему призвана новая технология SmartPower HDR, разработанная совместно компаниями Samsung Display и Intel. Суть технологии заключается в динамическом управлении напряжением OLED-панелей. Чипсет ноутбука в реальном времени анализирует пиковую яркость каждого кадра и передает эти данные контроллеру дисплея, который оптимизирует подачу напряжения в зависимости от количества активных пикселей. В отличие от традиционных режимов HDR, где яркость часто фиксируется на максимальном уровне, SmartPower HDR адаптируется к конкретному контенту, что снижает энергопотребление без потери качества изображения. Технология позвол ...>>

Недосып существенно сокращает жизнь 13.01.2026

Сон является одной из самых фундаментальных потребностей человека. Он влияет на обмен веществ, работу сердца и мозга, иммунитет и общее самочувствие. Современный ритм жизни часто заставляет людей жертвовать сном ради работы, учебы или развлечений, но ученые предупреждают: регулярный недосып может иметь далеко идущие последствия для здоровья и долголетия. Исследователи из Орегонского университета здравоохранения и науки пришли к выводу, что сон менее семи часов в сутки связан с сокращением продолжительности жизни. По данным специалистов, хроническая нехватка сна не только вызывает усталость и снижение работоспособности, но и постепенно сказывается на здоровье органов и систем, увеличивая риски развития различных заболеваний. Для анализа ученые использовали обширную национальную базу данных США, сопоставляя показатели ожидаемой продолжительности жизни на уровне штатов с результатами опросов Центров контроля и профилактики заболеваний за период с 2019 по 2025 годы. Они учитывали мно ...>>

Накладные ногти iPolish с управление цветом через смартфон 13.01.2026

Американская компания iPolish представила уникальные акриловые накладные ногти, способные мгновенно менять цвет под управлением смартфона, что открывает новые возможности для самовыражения и индивидуального стиля. Для работы устройства пользователю необходимо предварительно зарядить специальный контроллер и подключить его к мобильному телефону. Управление оттенком осуществляется через приложение, синхронизированное с контроллером. После выбора нужного цвета кончик ногтя подносят к модулю, который отправляет кратковременный электрический импульс, запускающий изменение окраски поверхности. Производитель пока не раскрывает подробностей электрохимического механизма, лежащего в основе технологии, однако отмечает, что перекраска одного ногтя занимает около пяти секунд. Такой подход позволяет мгновенно изменять внешний вид ногтей, что делает маникюр более гибким и адаптивным к повседневным условиям. Каждый ноготь поддерживает до 400 различных оттенков и позволяет многократно менять ц ...>>

Моноблок Lenovo ThinkCentre X AIO 12.01.2026

Компания Lenovo представила новый моноблок ThinkCentre X AIO, который отличается нестандартным форм-фактором и ориентирован на профессиональных пользователей. Информацию об анонсе опубликовал портал Gizmochina. Новинка оснащена 27,6-дюймовой IPS-матрицей с разрешением 2560 x 2880 пикселей. Соотношение сторон экрана составляет 16:18, что делает его почти квадратным. По словам производителя, такой формат позволяет одновременно отображать две страницы формата А4, что особенно удобно при работе с текстовыми документами, таблицами, программным кодом или дизайнерскими проектами. Экран имеет стандартную частоту обновления 60 Гц и время отклика 14 мс. Максимальная яркость достигает 300 нит, контрастность составляет 1000:1, а охват цветового пространства достигает 98% по стандарту DCI-P3. Эти характеристики обеспечивают четкое изображение и точную цветопередачу, что важно для профессионалов в области дизайна и обработки контента. Аппаратная платформа моноблока базируется на мобильных п ...>>

Случайная новость из Архива Android ТВ-приставка Zero Devices Z6C 02.01.2014 Компания Zero Devices подготовила к выпуску новую приставку Z6C на операционной системе Android, позволяющую превратить обычный телевизор в "умную" панель с доступом в Интернет. В устройстве применён процессор Rockchip RK3188 с четырьмя вычислительными ядрами на архитектуре ARM Cortex-A9 и интегрированным графическим контроллером. Объём оперативной памяти составляет 2 Гбайт; для хранения данных служит встроенный флеш-модуль ёмкостью 8 Гбайт с возможностью расширения за счёт сменных карт формата microSD. Приставка наделена тремя портами USB и разъёмом microUSB. Это позволяет подключать внешние устройства хранения данных, а также различную периферию - скажем, проводные клавиатуру и мышь. Zero Devices Z6C может быть подключена к Интернету через Ethernet-сеть или беспроводное соединение Wi-Fi (поддерживается стандарт 802.11n). Есть контроллер Bluetooth 4.0 и инфракрасный порт для пульта дистанционного управления. Кроме того, упомянуты интерфейсы HDMI, SPDIF и гнездо для наушников. На приставку будет изначально инсталлироваться новейшая операционная система Android 4.4.2 KitKat. В комплект поставки войдёт игровой манипулятор.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026