Ez az új anyag könnyű, mint a hungarocell és erős, mint az acél

A Torontói Egyetem mérnöki karán olyan nano-architektúrájú anyagokat fejlesztettek ki, amelyek az acél szilárdságát és a polisztirol könnyedségét egyesítik. Az áttörést jelentő nanoanyagok nemcsak rendkívüli szilárdságot és kis súlyt kínálnak, hanem testre szabhatók is, így várhatóan számos iparágban – például az autó- és a repülőgépgyártásban – hoznak majd forradalmi változásokat.

Peter Serles, a kutatás első közleményében kifejtette, hogy ezek az anyagok apró, nanoszintű geometriai struktúrák alkalmazásával érnek el kiemelkedő szilárdság-tömeg arányt. Mivel az ilyen geometriák éles sarkai miatt stresszkoncentrációk alakulnak ki – és ez az anyagok korai töréséhez vezethet – a gépi tanulást hívták segítségül, hogy tökéletesítsék az elképzelésüket.

A kanadai kutatók a dél-koreai KAIST tudósaival együttműködve alkalmazták az ún. Bayes-optimalizáció nevű gépi tanulási algoritmust. Ezt szimulált geometriai adatokból képezték ki, hogy optimalizált nanorács-geometriákat hozzon létre, javítva a stressz eloszlását és növelve az anyag szilárdság-tömeg arányát.

Mitől különlegesek a nano-architektúrájú anyagok?

Elsősorban azért, mert apró, néhány száz nanométeres építőelemekből állnak, amelyek alapanyaga a szén, és képesek bonyolult 3D nanorácsokba rendeződni. Az algoritmus eredményein maguk a kutatók is meglepődtek. „Nemcsak a meglévő sikeres geometriákat ismételte meg, hanem új formákat alkotott, amelyek még hatékonyabbak lettek” – árulta el Serles. Az algoritmus ráadásul rendkívül adatgazdaságosan működik: mindössze 400 adatpontra volt szüksége a munkához, míg más módszerek akár húszezer pontot is igényelnének.

A kutatók szerint ezek az anyagok különösen ígéretesek lehetnek a repülőgépipar számára, hiszen az ultrakönnyű komponensek csökkenthetik az üzemanyag-felhasználást, miközben fenntartják a biztonságot és a teljesítményt.

„Ha például egy repülőgép titán alkatrészeit ezzel az anyaggal helyettesítenénk, évente 80 liter üzemanyagot takaríthatnánk meg minden lecserélt kilogramm anyag után” – osztotta meg Serles.

Az Advanced Materialsban közölt eredmények az eddigi legnagyobb méretű, nanoszintű anyagot írják le: 18,75 millió rácselemre oszlik egyetlen milliméteres térfogatban. A kutatócsoport azon dolgozik tovább, hogy ezeket az anyagokat ipari mennyiségben is költséghatékony módon előállíthassák.

Gábor János, NEW technology