Pevný ako oceľ, no ľahký ako pierko. Výskumníci vytvorili prelomový materiál, ktorý v letectve urobí revolúciu
Výskumníci navrhli prelomový materiál, ktorý spája v sebe neuveriteľnú silu, no zároveň aj mimoriadnu ľahkosť.
Výskumníci z University of Toronto vytvorili nanomateriál, ktorý má pevnosť uhlíkovej ocele, no pritom má ľahkosť polystyrénu.
Autori štúdie opisujú vlastnosti materiálu ako konfliktné, no materiál s mimoriadnou pevnosťou a ľahkosťou by mohol pomôcť mnohým priemyslom, primárne však automobilovému a leteckému priemyslu.
“Nanomateriály v sebe spájajú vysokovýkonné tvary. Je to ako keby sme na nanoškále stavali most s pomocou trojuholníkov,” tvrdí Peter Serles, jeden z autorov štúdie.
Serles zároveň dodáva, že štandardné tvary materiálovej mriežky a štandardné geometrie majú ostré rohy a krížiace sa body, čo spôsobuje problém pri koncentrovaní záťaže. Jednoducho povedané, to vedie k zlyhaniu a rozbitiu materiálov, čo obmedzuje ich potenciál. Výskumníci si uvedomili, že na vyriešenie tohto problému sa skvelo hodí strojové učenie.
Protichodné vlastnosti vytvárajú jedinečný materiál
Nanomateriály sú materiály, ktoré sa skladajú z drobných stavebných prvkov, ktoré sa opakujú. Tieto prvky majú na šírku len niekoľko stoviek nanometrov. Výskumníci vysvetľujú, že ak by sme chceli dosiahnuť šírku ľudského vlasu, bolo by nám treba viac ako sto týchto opakujúcich sa prvkov. V prípade nového materiálu sú jeho stavebné prvky zložené z uhlíka. Usporiadané sú v komplexných 3D štruktúrach, ktoré nazývame nanomriežky.
Počas navrhovania neuveriteľne pevného a ľahkého nového materiálu spolupracovali výskumníci z technologickým inštitútom KAIST (pozn. Korea Advanced Institute of Science and Technology) v Južnej Kórei. Výskumníci z KAIST implementovali pri vývoji materiálu špeciálny algoritmus. Ten sa učil zo simulovaných geometrií aby následne navrhol najlepšie možné geometrie materiálu, ktoré by viedli k lepšiemu rozloženiu záťaže a zlepšili by pomer sily k váhe materiálu.
Neprehliadni
Následne výskumníci využili dvojfotónovú polymerizačnú 3D tlačiareň na vytvorenie experimentálnych verzii materiálu. Ide o aditívny spôsob výroby materiálu, ktorý umožňuje 3D tlačenie na mikro a nanoškále. Vďaka tomu mohli výskumníci vytvoriť optimalizované uhlíkové nanomriežky.
“Náš výskum je prvýkrát, čo bolo použité strojové učenie na optimalizovanie nanomateriálu. Výsledkami procesu sme boli šokovaní. Strojovému učeniu sa nepodarilo len replikovať úspešné geometrie z cvičných dát sa dokázalo naučiť aké tvary fungujú a aké naopak nie. Na základe týchto charakteristík dokázala umelá inteligencia navrhnúť úplne nové geometrie materiálovej mriežky,” vysvetľuje Serles.
Strojové učenie je spravidla veľmi náročné na požadované dáta. Zároveň považujú za problém vytvoriť dostatočné množstvo nových dát, hlavne ak používajú výskumníci vysokokvalitné dáta z obmedzenej analýzy prvkov. Autori štúdie veria, že tieto nové materiálové dizajny by mohli v budúcnosti viesť k uplatneniu v letectve. Na trhu by sme mohli mať neuveriteľne odolné, no pritom mimoriadne ľahké lietadlá, helikoptéry, či dokonca vesmíre rakety. Hlavne pri uplatnení vo vesmíre zohráva váha dôležitú úlohu.
“Celkovo by sme ale mohli dostať vozidlá, ktoré spotrebujú oveľa menej paliva a zároveň dokážu spĺňať bezpečnostné a výkonnostné parametre. To by mohlo v konečnom dôsledku viesť k zníženiu uhlíkovej stopy lietania,” dodáva Serles.
Ako príklad uvádza nahradenie titánu v lietadlách týmto materiálom. To by znamenalo, že za rok sa ušetrí až 80 litrov paliva na každý kilogram materiálu, ktorý nahradíme týmto mimoriadne pevným a ľahkým uhlíkovým nanomateriálom.
Posun v materiálových vedách
Ešte minulý september výskumníci predstavili v odlišnej štúdii nový druh materiálu, ktorý je viac ako 5-násobok pevnejší ako bežne používaný betón. Výskumníci veria, že tento materiál dokáže nahradiť jeden z najpoužívanejších stavebných materiálov na svete.
Autori štúdie sa inšpirovali tvrdou vonkajšou vrstvou ľudskej kosti. Dizajn inšpirovaný biológiou umožňuje materiálu vyhnúť sa prasklinám a náhlemu kolapsu. To predstavuje ďalšiu výhodu oproti tradičnému cementu a betónu. V stavebnom priemysle, pri vytváraní konštrukčných materiálov, pracujeme s dvoma hlavnými parametrami. Sú nimi sila a tvrdosť. Sila určuje, akú veľkú záťaž dokáže materiál uniesť, pričom tvrdosť zas opisuje odolnosť materiálu voči prasklinám a inému poškodeniu. Nový typ materiálu má väčšiu tvrdosť ako bežné konštrukčné materiály, pričom si zachováva ich silu. Viac o novom betóne nájdeš v tomto článku.
Komentáre