科学家用AI创造全新材料：既像钢一样坚固 又像泡沫一样轻

几十年来，工程师们一直在寻找既轻便又坚固的材料，如果一种材料减轻重量的同时又不牺牲耐用性的话，那么它会变得非常有用，特别是在航空航天行业，因为每减轻一克重量都可以节省大量燃料并提高性能。

铝钛合金是航空航天的传统材料，它相对较轻同时强度又很高，但有其局限性；碳纤维的出现虽然改变了游戏规则，但也并非没有缺点，例如它并不耐磨，不可能像铝钛合金那样用于航空发动机。

为了开发和突破材料科学的极限，加拿大的一个研究团队转向了纳米结构材料——在纳米尺度上设计结构，以最大限度地提高材料强度和减轻重量。

他们从大自然中汲取灵感，模仿骨骼、贝壳甚至蜂巢中的结构。

但设计这些结构并非易事，挑战在于创建均匀分布应力的几何形状，且避免可能开始失效的薄弱点。

为了克服这些障碍，研究人员转向了贝叶斯优化，这是一种人工智能（AI）形式，擅长在无数选项中找到最佳设计。

△ 低密度下高抗压强度碳纳米晶格生成设计的多目标贝叶斯优化，图源：Advanced Materials

整个过程从算法生成数千种潜在设计开始。

每种设计都在虚拟环境中使用有限元分析进行测试（有限元分析是一种预测材料在压力下表现的计算方法），然后算法改进其设计，迭代设计出强度和刚度最大化、重量最小化的结构。

人工智能提供了一份优化设计的简短列表之后，该团队使用双光子聚合技术（这是一种可以创建纳米级精度结构的 3D 打印技术）物理创建了所提出的材料。

利用这种技术，他们制造出由厚度仅为300至600纳米的梁组成的晶格，这些晶格（6.3x6.3x3.8毫米）由 1875 万个单元组成。

最后进行热解，这一过程通过在富氮环境中将聚合物加热到900摄氏度将其转化为玻璃碳。

这些经过人工智能优化的纳米晶格强度比以前的设计高出一倍以上，它们可承受每立方米每千克密度 2.03 兆帕的压力。

换句话说，它比许多轻质材料——如铝钛合金，甚至是某些形式的碳纤维的强度高出10倍以上，比钛高出约5倍。

这是人工智能首次应用于优化纳米结构材料，让人感到震惊的是，人工智能不只是从训练数据中复制成功的几何形状，而是从形状的哪些变化有效、哪些无效中学习，从而使其能够预测全新的晶格几何形状。

还有一个问题，是什么让这些纳米晶格变得如此坚固？

答案在于碳在纳米尺度上的独特性质。

研究人员发现，将碳梁的直径减小到300纳米时，其强度可显著提高，这是由于一种称为“尺寸效应”的现象，即材料在极小的尺度上表现不同（尺寸越小则强度越高）。

在纳米尺度上，碳原子以最大化强度的方式排列，碳梁的外层由94%的sp? -碳组成，这种碳形式以出色的强度和刚度而闻名。

这种高纯度碳壳与梁的优化几何形状相结合，使材料能够承受巨大的力量而不会断裂。

最后

研究人员推测，这种材料的潜在影响可能会远远超出实验室范围。

更轻的部件可以减少燃料需求并降低排放，由这种材料制成的超轻部件可能很快会为飞机、直升机和航天器提供动力。

根据该研究的研究人员估算，如果用这种材料替换现有飞机上由钛制成的部件的话，那么每替换一公斤钛，每年就可以节省 80 升燃料。

责任编辑：上方文Q

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