المواد النانوية المصممة بالذكاء الاصطناعي ثلاثية الأبعاد: أقوى من الفولاذ، أخف من الفوم

المستقبل لسفر الفضاء والعديد من الصناعات الأخرى سيعتمد على تطوير البشرية لمواد أقوى، أخف، وأكثر توفرًا. من الفولاذ إلى ألياف الكربون، وحتى أحدث المواد النانوية المُهندسة اليوم، يبقى السعي لإنشاء مكونات خفيفة الوزن ومتينة أولوية عبر مجموعة واسعة من العلوم. لحسن الحظ، قدم فريق من الباحثين بقيادة كلية العلوم التطبيقية والهندسة بجامعة تورنتو عملية جديدة أظهرت نتائج واعدة. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

المواد النانوية المُهندسة

من حيث الأداء العالي، تُعد المواد النانوية المُهندسة من بين الأقوى. فهي تستخدم أشكالًا متنوعة على المستوى النانوي لخلق مستويات عالية من المرونة. تُكرر هذه الأشكال مئات أو آلاف المرات. ينتج عن هذا التكوين ظروف حمل فريدة وتأثيرات جانبية نانوية تضيف إلى قوتها،
ومن الجدير بالذكر، منذ اختراعها، ظهرت إصدارات عديدة من المواد النانوية المُهندسة، كل منها يستخدم أشكالًا وأحجامًا مختلفة، مثل الشبكات، والجيوريدات، وخلايا النحل، والهياكل الهجينة. بينما أثبتت هذه المواد قدرتها على توفير قوة إضافية، فقد ظهرت بعض العوائق لهذه التقنية حتى الآن.

المشكلة في المواد النانوية المُهندسة الحالية

أحد العوائق الرئيسية للمواد النانوية المُهندسة حاليًا هو وجود نقاط فشل وانكسار صلبة. بنية هذه العناصر واستخدام أشكال الشبكات القياسية يعني أن الزوايا والتقاطعات تتعرض لضغط إضافي. وبالتالي، فإن عدم توزيع الإجهاد بشكل مناسب يمكن أن يؤدي إلى فشل كارثي مفاجئ عند العقد والتقاطعات.

دراسة المواد النانوية المُهندسة

إدراكًا لهذه القيود، أنشأ مجموعة من الباحثين خوارزمية تعلم آلي فريدة للبحث وتطوير هياكل جديدة محتملة. نُشرت الدراسة المسماة Ultrahigh Specific Strength by Bayesian Optimization of Carbon Nanolattices¹ في مجلة Advanced Materials.

تمثل هذه الدراسة المرة الأولى التي يُطبق فيها التعلم الآلي على إنشاء المواد النانوية المُهندسة. ومن الجدير بالذكر أن الخوارزمية الذكية دمجت جوانب مختلفة من علم المواد والكيمياء والميكانيكا لنمذجة أداء التكوينات والمواد والأشكال المختلفة بدقة. هدف البحث هو الاستفادة من تأثير “الأصغر هو الأقوى” الذي توفره المواد النانوية.

المصدر – كلية العلوم التطبيقية والهندسة بجامعة تورنتو

بدأ الفريق عملياته بالاعتماد على خوارزمية تحسين بايزيان للتعلم الآلي. تُعد هذه الخوارزمية مثالية مقارنة بالخيارات الأخرى بفضل استخدامها لعدد أقل من نقاط البيانات. تتطلب خوارزمية تحسين بايزيان للتعلم الآلي فقط 400 نقطة بيانات مقابل الآلاف المطلوبة من الخوارزميات الأخرى.

حللت الخوارزمية واختبرت هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة مختلفة. راجعت نقاط بيانات رئيسية مثل مواقع الإجهاد وضغط الانكسار مع تسجيل توصيف عالي الدقة للتركيب الذري للكربون البيروليتي. ثم استُخدمت البيانات لتحسين البنية الجديدة بهدف تحسين نسبة القوة إلى الوزن أكثر.

اختبار المواد النانوية المُهندسة

لاختبار نظريتهم، قام المهندسون بطباعة أربعة تصاميم شبكية مركزية مكعبة (CFCC) باستخدام أشكال عوارض مُحسّنة عبر طابعة ثلاثية الأبعاد لتقنية البوليمرة ذات الفوتونين الثنائي في مركز البحوث وتطبيقات تكنولوجيا السوائل (CRAFT). مكنت هذه الأداة من بوليمرة متعددة الفوتونات متعددة التركيز. تحديدًا، تكوّنت عينات الاختبار المطبوعة من 18.75 مليون خلية شبكية بحجم نانومتري.
ومن الجدير بالذكر، استخدمت الشبكة بنية بوليمرية أكريلية تم تسخينها لاحقًا لتقاطع البوليمر إلى كربون عطري زجاجي. خفضت هذه الخطوة الحجم الكلي بنسبة 20٪. بعد ذلك، أُجريت مجموعة متنوعة من اختبارات الضغط.

نتائج اختبار المواد النانوية المُهندسة

أثبتت الاختبارات أن المواد النانوية المُهندسة الجديدة أظهرت تحسينات في القوة بفضل تحسين عناصر العارضة عبر التعلم الآلي، والكربون البيرولي عالي النقاء، والقدرة على إنشاء أقطار دعائم نانوية. تحديدًا، تصنّفت التصاميم الجديدة بين 118٪ و68٪ أقوى من سابقتها.
كما تحسّنت كفاءتها الهيكلية. أظهر الاختبار توزيعًا أفضل للإجهاد والوزن ونسب قوة إلى وزن أعلى من التصاميم الأصلية. تحديدًا، ضاعفت المادة والتصميم الجديد قوة النموذج السابق، محققة 0.03 MPa·m³·kg⁻¹ عند كثافات منخفضة.

فوائد المواد النانوية المُهندسة

من السهل ملاحظة فوائد استخدام التصاميم المُحسّنة بايزيان والكربون البيرولي المُهندَس بنانو على الفور. توفر هذه المواد مزيدًا من القوة، وتزن أقل، ويمكن تخصيصها لتناسب مجموعة واسعة من الاحتياجات.

القوة

تمنح المواد النانوية والبنية هذه المواد فائقة الخفة نسبة قوة إلى وزن تتجاوز تلك الخاصة بالتيتانيوم. وبالتالي، يمكن أن تحسّن هذه المادة مجموعة متنوعة من المهام الصناعية والتجارية في السنوات القادمة.

الوزن الأدنى

استنتج الباحثون أن ابتكارهم خفيف الوزن كالستايروفوم، رغم أنه تفوق الفولاذ في اختبارات المتانة والقوة. المفتاح لتصميم خفيف الوزن هو استخدام مواد ومكونات ذات كثافة أقل. تحديدًا، يقلل تقليل أقطار دعائم الشبكة النانوية إلى 300 نانومتر من إنتاج كربون عالي القوة يتفوق على سابقيه.

الاستدامة

يمكن للمادة الجديدة المساعدة في تقليل البصمة الكربونية العالية للطيران في صناعات أخرى تعتمد على مواد مركبة خفيفة الوزن للتشغيل. يؤدي تقليل المواد في عملية التصنيع مباشرة إلى تعزيز الاستدامة.

التخصيص

عملية الطباعة المستخدمة لإنشاء المواد تسمح ببنائها لتناسب أي حالة استخدام أو شكل أو حجم تقريبًا. تُوفر هذه المرونة الإضافية فرصًا جديدة للمهندسين لتطوير أنظمة أفضل توفر أداءً أعلى عبر طيف واسع من التطبيقات.

باحثو المواد النانوية المُهندسة

أُجريت أبحاث المواد النانوية المُهندسة في كلية العلوم التطبيقية والهندسة بجامعة تورنتو. قادها البروفيسور توبين فيلتر (MIE). وقد ساعده بيتر سيرلز، البروفيسور سيونغوا، وجينوك يو من معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) في دايجون، كوريا الجنوبية.
كان البحث جهدًا تعاونيًا جمع بين معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) في ألمانيا، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وجامعة رايس في الولايات المتحدة، ضمن برنامج التجمعات الدولية للدكتوراه.

تطبيقات المواد النانوية المُهندسة

هناك عدة تطبيقات محتملة لهذه التقنية. من الفضاء الجوي إلى صناعة السيارات، هناك طلب هائل على مواد خفيفة الوزن ومتينة. إليك بعض التطبيقات لهذه المواد النانوية المُهندسة الجديدة.

العسكرية

تستمر القوات العسكرية في البحث عن مواد خفيفة الوزن لكل شيء من بناء المركبات إلى إنشاء دروع شخصية أكثر فعالية. يمكن لهذا الاختراق التكنولوجي مساعدة جنود المستقبل على البقاء في مناطق الحروب بفعالية أكبر والقيام بالمزيد.

السيارات

أدى صعود المركبات الكهربائية إلى سباق للعثور على أخف وأقوى المواد المتاحة بأسعار معقولة. السبب في هذا البحث هو أن عمر بطارية المركبة الكهربائية يرتبط مباشرةً بنسبة الوزن إلى القدرة. سيؤدي تقليل وزن مواد بناء المركبة الكهربائية إلى فترات قيادة أطول بكثير.

الفضاء الجوي

لطالما وجدت المواد النانوية المُهندسة موطئ قدم كعناصر فائقة الخفة في تطبيقات الفضاء الجوي. هذه المادة مثالية لإنشاء مكونات للطائرات والمروحيات والمركبات الفضائية. يعني هذا التصميم الخفيف والبنية المركبة أن المهندسين يمكنهم تحسين نسبة الوزن إلى الرفع دون التضحية بالسلامة.

الشركات التي يمكنها دمج المواد النانوية المُهندسة والاستفادة منها

ليس هناك نقص في الشركات التي يمكنها الاستفادة من مواد أقوى وأخف. تغطي هذه الشركات السوق بأكمله، من المصنّعين الصناعيين إلى تطوير معدات الحماية والرياضة. إليك شركة واحدة يمكنها دمج هذه التقنية اليوم ورؤية فوائد فورية.

TransDigm Group

دخلت TransDigm (TDG ) السوق في عام 1993. تأسست في كليفلاند، أوهايو، كمنتج لقطع غيار الطائرات. وسرعان ما وسّعت الشركة عملياتها وعروضها مما ساعدها على أن تصبح لاعبًا رئيسيًا في السوق.

اليوم، تُعد TransDigm واحدة من أبرز الشركات المصنعة للمكونات والأنظمة والأنظمة الفرعية الجوية عالية الهندسة. لقد حافظت على قدرتها التنافسية من خلال الابتكار والعديد من الاستحواذات عالية المستوى.

ستساعد إدخال المواد النانوية المُهندسة الخفيفة والمتينة التي طورها الباحثون الشركة على إنشاء خيارات أكثر متانة. سيؤدي خفض الوزن الإضافي وزيادة القوة إلى قيمة أكبر للمستهلكين وأداء أفضل للمصنعين.

تمتلك TransDigm قيمة سوقية تبلغ 77.1 مليار دولار حاليًا. تُصنّف الشركة كـ “احتفاظ” من قبل معظم المحللين بسبب موقعها وسجلها المثبت. ينبغي لأولئك الذين يبحثون عن سهم تصنيع طيران معترف به ومستقر النظر في مراجعة TDG.

المواد النانوية المُهندسة لديها القدرة على تغيير قواعد اللعبة

عند فحص الترقيات الكبيرة التي تجلبها هذه المواد الخفيفة إلى صناعات متعددة، من السهل رؤية أنها تغير قواعد اللعبة. سيؤدي استخدام مواد أخف وأقوى إلى ترقية أسواق متعددة وتوفير قدرات إضافية للمهندسين. وبالتالي، يجب أن نثني على المهندسين على جهودهم.
تعرف على تقنيات النانو الأخرى هنا

مرجع الدراسة:

^{1. Serles, P., Yeo, J., Haché, M., Guerra Demingos, P., Kong, J., Kiefer, P., Dhulipala, S., Kumral, B., Jia, K., Yang, S., Feng, T., Portela, C. M., Wegener, M., Howe, J., Singh, C. V., Zou, Y., Ryu, S., & Filleter, T. (2025). Ultrahigh specific strength by Bayesian optimization of carbon nanolattices. Advanced Materials, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}