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.