Зображення геометричної решітки матеріалу з 18,75 млн осередків, що плаває на бульбашці / Петер Серлс
Investigadores de la Universidad de Toronto han desarrollado un material único combinando el aprendizaje automático con la nanotecnología. Este descubrimiento puede revolucionar sectores enteros, desde el aeroespacial hasta el automovilístico.
Los ingenieros llevan décadas intentando crear materiales ligeros y extremadamente resistentes. Esto es especialmente importante en el sector aeroespacial, donde incluso una pequeña reducción de peso puede ahorrar mucho combustible y mejorar la eficiencia. Los materiales tradicionales, como el aluminio y el titanio, tienen sus limitaciones, y la fibra de carbono, aunque revolucionaria, no es la solución ideal.
Científicos canadienses han decidido utilizar materiales nanoestructurados que imitan formas naturales, como huesos, conchas o panales. Crearon geometrías que distribuyen la carga uniformemente, evitando puntos débiles donde podría producirse la fractura.
Para encontrar las formas óptimas, los investigadores aplicaron la optimización bayesiana — un método de aprendizaje automático que ayuda a elegir la mejor opción entre muchas posibles. Utilizaron datos de miles de simulaciones por ordenador para determinar las formas más eficientes para sus nanorods de carbono.
«Los materiales nanoarquitectados combinan formas muy eficientes similares a las estructuras triangulares de los puentes, pero a nanoescala, lo que permite una relación resistencia-peso» récord, explica Peter Searles, autor principal del estudio.
El algoritmo creó miles de estructuras posibles que se probaron en un entorno virtual mediante el método de los elementos finitos (cálculos de resistencia). A continuación, el programa informático refinó gradualmente estos diseños hasta encontrar las estructuras óptimas con la máxima resistencia y rigidez con el mínimo peso.
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Los investigadores reprodujeron físicamente los diseños seleccionados mediante polimerización de dos fotones — un método de impresión 3D con precisión nanométrica.
Crearon rejillas formadas por estructuras de solo 300 a 600 nm de grosor. Estas rejillas (6,3×6,3×3,8 mm), formadas por 18,75 millones de células individuales, se sometieron después a pirólisis — calentamiento a 900 °C en un entorno de nitrógeno, lo que convirtió el polímero en carbono vítreo.
Las nanorredes optimizadas duplicaron con creces la resistencia de las estructuras anteriores. Soportaron una carga de 2,03 megapascales por metro cúbico y kilogramo de densidad. Para ponerlo en perspectiva, es más de 10 veces la resistencia de muchos materiales ligeros como las aleaciones de aluminio o la fibra de carbono. También son 5 veces más resistentes que el titanio.
«Es la primera vez que se utiliza el aprendizaje automático para optimizar materiales nanoestructurados, y los resultados han sido impresionantes,» afirma Searls. «La IA no se limitó a replicar geometrías conocidas de éxito, sino que creó formas eficientes totalmente nuevas.»
Curiosamente, cuanto más pequeñas son las nanoláminas, más resistentes son. Esto se debe al efecto «tamaño» — un fenómeno en el que los materiales a escalas extremadamente pequeñas se comportan de forma diferente.
Los científicos descubrieron que cuando el diámetro de las vigas de carbono se reducía a 300 nanómetros, su resistencia aumentaba drásticamente. Esto se debe a que, a nanoescala, los átomos de carbono se alinean en estructuras que proporcionan la máxima rigidez. La capa exterior de las vigas estaba compuesta por un 94% de carbono unido a sp², conocido por su excepcional resistencia. Esto permite al material soportar enormes cargas sin romperse.
Este avance podría cambiar significativamente la industria aeroespacial, la producción de aviones, helicópteros y naves espaciales. Las piezas más ligeras reducirán el consumo de combustible y las emisiones.
«Por ejemplo, sustituir un componente de titanio de un avión por nuestro material puede ahorrar 80 litros de combustible al año por cada kilogramo de material sustituido,» afirma Searls.
Los investigadores planean ampliar sus desarrollos para uso comercial. Sus próximos pasos irán encaminados a crear estructuras completas con estos materiales manteniendo su resistencia y ligereza. También está previsto seguir buscando nuevos diseños que reduzcan aún más la densidad del material sin perder resistencia.
Fuente: zmescience