Новые материалы, отличающиеся прочностью и лёгкостью, особенно востребованы в автомобильной промышленности, а также в аэрокосмическом секторе. Используя машинное обучение, исследователи из Университета Торонто обнаружили наноматериал, который по прочности не уступает стали и лёгок, как пенополистирол.
Этот крошечный наноматериал такой же прочный, как сталь, и такой же легкий, как пенопласт. Фото: Питер Серлес
Целью их исследования был поиск материалов с противоречивыми свойствами. Такие наноматериалы построены в виде сложных решеток, напоминающих треугольную структуру. Это делает их особенно устойчивыми и прочными.
Однако натяжение увеличивается, если материал имеет неровности, например, острые углы и края. В этом случае напряжение не может распределяться равномерно, и возникают участки повышенного напряжения, которые могут разрушиться.
Нанорешетка в 5 раз прочнее титана. Фото: Питер Серлес Для поиска наилучшей возможной структуры наноматериалов использовался алгоритм Корейского института передовых технологий и науки (KAIST). Результаты были использованы для изготовления прототипов с помощью 3D-принтера.
В результате была получена углеродная нанорешетка, способная выдерживать нагрузку 2,03 мегапаскаля на кубический метр на килограмм. Это в 5 раз выше, чем у титана. Его прочность на сжатие, по крайней мере, сопоставима с прочностью стали, которая составляет от 180 до 360 МПа. В то же время материал такой же легкий, как пенополистирол. Плотность составляет менее 215 килограммов на кубический метр, тогда как у пенополистирола — от 125 до 215.
«Мы надеемся, что эти новые конструкции материалов приведут к созданию сверхлёгких компонентов в аэрокосмической отрасли. Это может снизить потребность в топливе для самолетов, вертолетов и космических аппаратов без ущерба для безопасности и производительности», — заявил руководитель исследования Тобин Филлетер.
Технология позволит сократить и выбросы CO2.
«Если заменить титановые детали в самолете этим материалом, можно будет сэкономить 80 литров топлива в год на каждый замененный килограмм», — говорит автор исследования Питер Серлес.
На следующем этапе исследователи хотят усовершенствовать конструкцию материала, чтобы он стал доступен в больших масштабах и по низкой цене. Кроме того, алгоритм должен помочь в поиске дополнительных кандидатов на роль таких прочных и легких материалов. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.