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:

Скука - двигатель перемен 09.03.2026

Современная жизнь редко оставляет человеку время на простое ощущение скуки. С развитием цифровых технологий и постоянным доступом к социальным сетям мы стремимся мгновенно развлекать себя, избегая пауз, когда ум может быть свободен от внешних раздражителей. Между тем, новое исследование показывает, что скука выполняет важную роль в психическом здоровье и может стимулировать личностное развитие. Часто скука воспринимается как негативное состояние, которое хочется немедленно устранить. Однако психологи отмечают, что именно моменты, когда человеку становится по-настоящему скучно, могут побудить к поиску нового хобби, пересмотру жизненных приоритетов или появлению свежих идей. Это состояние открывает пространство для саморефлексии и внутреннего роста. Исследователи из Университета Бата и Тринити-колледжа показали, что привычка уходить в социальные сети в моменты скуки мешает человеку достигать "максимальной скуки". В результате стимулируется лишь поверхностное отвлечение, которое не ...>>

Наушники Soundcore Space 2 09.03.2026

Современные пользователи все чаще ищут универсальные наушники, способные сочетать высокое качество звука, комфорт при длительном ношении и длительное время автономной работы. На выставке MWC 2026 компания Anker представила новую модель полноразмерных беспроводных наушников Soundcore Space 2, которая нацелена как на повседневное использование, так и на путешествия, предлагая обновленный дизайн и расширенные технические возможности по сравнению с предыдущей версией. Новинка получила более плавные линии чаш и легкий корпус весом 261 грамм, что обеспечивает комфорт даже при длительном прослушивании музыки. Для улучшения посадки и удобства производитель использовал мягкую пену с эффектом памяти, а эргономика наушников была протестирована на более чем 2000 профилях головы, что позволило достичь оптимального прилегания для большинства пользователей. Soundcore Space 2 будут доступны в трех цветовых вариантах: кремовый белый (Cream White), угольно-черный (Jet Black) и шалфейно-зеленый (Sa ...>>

Ритм сердца влияет на восприятие и чувства 08.03.2026

Связь между сердцем и мозгом выходит далеко за пределы привычного представления о том, что сердце просто качает кровь. Новые исследования показывают, что сердечный ритм способен прямо влиять на восприятие внешнего мира и на эмоциональное состояние человека, открывая уникальный диалог между физиологией и сознанием. Работа сердца делится на две основные фазы: систолу и диастолу. Во время систолы сердечная мышца сокращается и выталкивает кровь в сосуды, а при диастоле сердце расслабляется, позволяя крови вернуться внутрь. Хотя мозг не управляет каждой конкретной фазой сокращений, он регулирует частоту сердечных сокращений в зависимости от состояния организма: в стрессовой ситуации пульс учащается, а в спокойном состоянии снижается. Однако взаимодействие между сердцем и мозгом двустороннее: мозг реагирует на сигналы от сердца так же, как сердце откликается на команды мозга. Международная группа исследователей проанализировала мозговую активность в зависимости от сердечного цикла. Они ...>>

Молекулы ДНК как новые носители данных 08.03.2026

С ростом объемов цифровой информации ученые ищут новые методы хранения данных, способные сочетать высокую плотность, долговечность и энергоэффективность. Одним из самых перспективных направлений становится использование молекул ДНК - естественного носителя генетической информации, который способен сохранять данные в течение тысяч лет при подходящих условиях. Недавние исследования показывают, что ДНК может стать не только архивом, но и полноценным перезаписываемым носителем информации. Исследователи из Университета Миссури создали систему, позволяющую записывать, стирать и повторно записывать данные в молекулах ДНК. Ранее ДНК использовалась в основном для долговременного архивирования информации, что делало носитель одноразовым. Новый подход превращает молекулярный носитель в полноценный цифровой накопитель с возможностью редактирования содержимого. Принцип работы устройства основан на естественном "языке" ДНК: в отличие от обычных компьютеров, где данные кодируются последовательн ...>>

Получение кислорода из лунного грунта 07.03.2026

Освоение Луны требует решения множества задач, связанных с обеспечением жизнедеятельности и функционированием оборудования в условиях ограниченных ресурсов. Одной из ключевых проблем является доставка кислорода с Земли, что значительно увеличивает стоимость и сложность космических миссий. Новые технологии позволяют получать кислород непосредственно на поверхности Луны, открывая путь к автономным и долговременным экспедициям. В центре исследований NASA находится метод извлечения кислорода из лунного реголита - рыхлого слоя измельченных пород, покрывающего поверхность спутника. Реголит содержит значительное количество окислов, включая окись железа и диоксид кремния, которые являются потенциальным источником кислорода. По оценкам специалистов, до 40% массы реголита приходится на химически связанный кислород. Ключевым элементом технологии является электролиз расплавленного реголита. Процесс предполагает пропускание электрического тока через сильно нагретый материал, что приводит к вы ...>>

Случайная новость из Архива MusicDNA - наследник MP3 25.03.2010 Новый формат аудиофайлов, призванный ограничить рост пиратства, называется MusicDNA, основан на базе MP3 и содержит ряд интересных возможностей. Например, планируется включать в файлы дополнительный контент, такой как тексты песен, обновления событий (даты будущих туров, интервью с исполнителями и т. д.), изображения. Контент генерируется записывающими компаниями, музыкантами, дистрибьюторами и отправляется владельцам файлов автоматически при появлении обновлений. Файлы MusicDNA могут воспроизводиться на любом MP3-проигрывателе, а также интегрироваться в социальные сети. Выход бета-версии формата MusicDNA запланирован на весну 2010 года, а релиз ожидается уже летом.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026