مواد فوق‌سبک با مقاومت فولاد ساخته شد

پژوهشگران دانشکده علوم کاربردی و مهندسی دانشگاه تورنتو با استفاده از یادگیری ماشین موفق به طراحی مواد نانو‌معماری شده‌اند که از نظر مقاومت مشابه فولاد کربنی، اما به سبکی استایروفوم (نوعی فوم) هستند.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، در مقاله‌ای که در مجله Advanced Materials منتشر شده است تیمی به سرپرستی توبین فیلتر فرآیند ساخت موادی را تشریح کرده‌اند که ترکیبی از مقاومت بالا، وزن کم و قابلیت سفارشی‌سازی ارائه می‌کنند. این روش می‌تواند به صنایع مختلف از جمله خودروسازی و هوافضا کمک کند.

پیتر سرلز، نویسنده اصلی این مقاله، توضیح می‌دهد که مواد نانو‌معماری شامل ساختار‌های کوچک در ابعاد نانو هستند که به لطف خاصیت "کوچک‌تر قوی‌تر"، از نسبت مقاومت به وزن و سفتی به وزن بسیار بالایی برخوردارند. با این حال، طراحی‌های مرسوم این ساختار‌ها دارای گوشه‌ها و تقاطع‌های تیز است که منجر به تمرکز تنش و شکست زودهنگام مواد می‌شود. وی با بهره‌گیری از یادگیری ماشین این چالش را برطرف کرده است.

این مواد از واحد‌های ساختاری بسیار کوچک در ابعاد چند صد نانومتر ساخته شده‌اند و با ساختار‌های پیچیده سه‌بعدی به نام نانولاتیسی‌ها سازماندهی می‌شوند.

تیم تحقیقاتی دانشگاه تورنتو با همکاری محققانی از موسسه پیشرفته علوم و فناوری کره (KAIST) از الگوریتم بهینه‌سازی بیزی چندهدفه بهره بردند تا بهترین طراحی‌های هندسی را برای بهبود مقاومت و توزیع تنش در این مواد شناسایی کنند.

سرلز با استفاده از چاپگر سه‌بعدی پیشرفته مرکز تحقیقات و کاربرد فناوری‌های سیال (CRAFT) نمونه‌های اولیه‌ای را ساخت که مقاومت طراحی‌های موجود را دو برابر کردند. این ساختار‌های بهینه‌شده توانایی تحمل فشاری معادل ۲.۰۳ مگاپاسکال به ازای هر متر مکعب به ازای هر کیلوگرم از چگالی را دارند که پنج برابر قوی‌تر از تیتانیوم است.

این مطالعه اولین کاربرد یادگیری ماشین برای بهینه‌سازی مواد نانو‌معماری است. الگوریتم مورد استفاده تنها به ۴۰۰ داده شبیه‌سازی نیاز داشت، در حالی که سایر الگوریتم‌ها ممکن است به بیش از ۲۰،۰۰۰ داده نیاز داشته باشند.

پژوهشگران امیدوارند این طراحی‌ها به تولید قطعات فوق‌سبک در صنایع هوافضا منجر شود که ضمن کاهش مصرف سوخت، ایمنی و کارایی را حفظ کند. برای مثال، جایگزینی قطعات تیتانیومی هواپیما با این مواد می‌تواند سالانه ۸۰ لیتر سوخت برای هر کیلوگرم ماده ذخیره کند.

این پروژه با همکاری محققانی از دانشگاه‌های KIT آلمان، MIT آمریکا و دانشگاه رایس انجام شده است. گام‌های بعدی تیم تحقیقاتی شامل بهبود فرایند مقیاس‌پذیری این مواد برای تولید اقتصادی و کشف طراحی‌های جدید با چگالی کمتر است.

انتهای پیام/