AI-ontworpen 3D-geprinte nanomaterialen: sterker dan staal, lichter dan schuim

De toekomst van ruimtevaart en vele andere industrieën zal afhangen van de ontwikkeling van sterkere, lichtere en beter beschikbare materialen door de mensheid. Van staal tot koolstofvezel, tot aan de meest geavanceerde nano‑gestructureerde materialen van vandaag, blijft de zoektocht naar duurzame, lichtgewicht componenten een prioriteit in een breed scala aan wetenschappen. Gelukkig heeft een team van onderzoekers onder leiding van de Faculty of Applied Science & Engineering van de Universiteit van Toronto onlangs een nieuw proces geïntroduceerd dat veelbelovende resultaten heeft laten zien. Dit is wat u moet weten.

Nano-gestructureerde materialen

Wat betreft hoge prestaties behoren nano-gestructureerde materialen tot de sterkste. Ze gebruiken diverse vormen op nanoschaal om een hoog niveau van veerkracht te creëren. Deze vormen worden honderden of duizenden keren herhaald. Deze configuratie produceert unieke belastingscondities en nanoschaal‑effecten die bijdragen aan hun sterkte.
Opmerkelijk is dat er sinds hun uitvinding vele verschillende versies van nano-gestructureerde materialen zijn ontwikkeld, elk met verschillende vormen en maten, zoals roosters, gyroïden, honingraten en hybride geometrieën. Hoewel deze materialen bewezen hebben extra sterkte te bieden, zijn er tot nu toe enkele nadelen aan deze technologie.

Probleem met de huidige nano-gestructureerde materialen

Een van de belangrijkste nadelen van huidige nano-gestructureerde materialen is dat ze harde breekpunten hebben. De structuur van deze items en het gebruik van standaard rooster vormen betekent dat hoeken en kruispunten onder extra spanning staan. Daardoor kan het gebrek aan een juiste spanningsverdeling leiden tot plotselinge catastrofale breuken op de knooppunten en verbindingen.

Studie naar nano-gestructureerde materialen

Door deze beperkingen te erkennen, heeft een groep onderzoekers een uniek machine‑learning‑algoritme ontwikkeld om mogelijke nieuwe architecturen te onderzoeken en te ontwikkelen. De studie genaamd Ultrahigh Specific Strength by Bayesian Optimization of Carbon Nanolattices¹ werd gepubliceerd in Advanced Materials.
Deze studie is de eerste keer dat machine learning wordt toegepast op de creatie van nano-gestructureerde materialen. Opmerkelijk is dat het AI‑algoritme verschillende aspecten van materiaalkunde, chemie en mechanica combineerde om de prestaties van verschillende configuraties, materialen en vormen nauwkeurig te modelleren. Het doel van het onderzoek is om het “kleiner is sterker” effect van nanomaterialen te benutten.

Het team begon hun werkzaamheden door gebruik te maken van het Bayesian optimalisatie‑machine‑learning‑algoritme. Dit AI‑algoritme is ideaal vergeleken met andere opties vanwege het gebruik van minder gegevenspunten. Het Bayesian optimalisatie‑machine‑learning‑algoritme vereist slechts 400 gegevenspunten, in tegenstelling tot de duizenden die andere algoritmen nodig hebben.
Het algoritme analyseerde en testte verschillende complexe 3D‑structuren. Het onderzocht belangrijke gegevenspunten zoals spanningslocaties en breukdruk, terwijl het de hoog‑resolutie karakterisering van de pyrolytische koolstof‑atomische structuur registreerde. De gegevens werden vervolgens gebruikt om de nieuwe structuur te optimaliseren en de sterkte‑gewichtsverhouding verder te verbeteren.

Test van nano-gestructureerde materialen

Om hun theorie te testen, hebben de ingenieurs vier kubus‑gecentreerde kubieke (CFCC) rooster‑generatieve ontwerpen met geoptimaliseerde balkvormen 3D‑geprint met behulp van de twee‑foton polymerisatie‑3D‑printer in het Centre for Research and Application in Fluidic Technologies (CRAFT). Dit apparaat maakte multi‑focus multi‑foton polymerisatie mogelijk. Concreet bestonden de geprinte testobjecten uit 18,75 miljoen nanometer‑grote rooster‑cellen.
Opmerkelijk is dat het rooster een acrylpolymeerstructuur gebruikte die vervolgens werd verhit om het polymeer te crosslinken tot een glasachtig aromatisch koolstof. Deze stap verminderde de totale grootte met 20 %. Daarna werden verschillende druktesten uitgevoerd.

Resultaten van de test van nano-gestructureerde materialen

De tests bewezen dat de nieuwe nano-gestructureerde materialen verbeterde sterkte vertoonden dankzij machine‑learning optimalisatie van balk‑elementen, hoog‑zuivere gepyrolyseerde koolstof en de mogelijkheid om nanoschaal‑stutdiameters te creëren. Concreet waren de nieuwe ontwerpen tussen 118 % en 68 % sterker dan hun voorgangers.
Ook hun structurele efficiëntie verbeterde. De test toonde een betere spannings‑ en gewichtsverdeling en een hogere sterkte‑gewichtsverhouding dan de oorspronkelijke ontwerpen. Concreet verdubbelde het nieuwe materiaal en ontwerp de sterkte van het vorige model, met een waarde van 0,03 MPa m³ kg⁻¹ bij lage dichtheden.

Voordelen van nano-gestructureerde materialen

De voordelen van het gebruik van Bayesiaans geoptimaliseerde ontwerpen en nano‑gestructureerde gepyrolyseerde koolstof zijn in één oogopslag duidelijk. Deze materialen bieden meer sterkte, wegen minder en kunnen op maat worden gemaakt voor een breed scala aan behoeften.

Sterkte

De nanomaterialen en structuur geven deze ultralichte materialen een sterkte‑gewichtsverhouding die hoger is dan die van titanium. Hierdoor kan dit materiaal in de komende jaren een verscheidenheid aan industriële en commerciële taken verbeteren.

Minimaal gewicht

De onderzoekers concludeerden dat hun creatie net zo licht was als piepschuim, terwijl het toch beter presteerde dan staal in duurzaamheid‑ en sterktetests. De sleutel tot het ultralichte ontwerp is het gebruik van materialen en componenten met een lagere dichtheid. Concreet leidt het verkleinen van nanorooster‑stutdiameters tot 300 nm tot een uniek hoog‑sterk koolstof dat eerdere versies overtreft.

Duurzaamheid

Het nieuwe materiaal kan helpen de hoge CO₂‑voetafdruk van vliegen in andere sectoren die afhankelijk zijn van lichtgewicht composietmaterialen te verminderen. Het verminderen van materiaalgebruik in het productieproces leidt direct tot meer duurzaamheid.

Aanpassing

Het printproces dat wordt gebruikt om de materialen te vervaardigen maakt het mogelijk ze te bouwen voor vrijwel elke toepassing, vorm of grootte. Deze extra flexibiliteit creëert nieuwe kansen voor ingenieurs om betere systemen te ontwikkelen die hogere prestaties leveren over meerdere domeinen.

Onderzoekers van nano-gestructureerde materialen

Het onderzoek naar de nano‑architectuurmaterialen werd uitgevoerd aan de Faculty of Applied Science & Engineering van de Universiteit van Toronto. Het werd geleid door professor Tobin Filleter (MIE). Hij kreeg ondersteuning van Peter Serles, professor Seunghwa en Jinwook Yeo van het Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) in Daejeon, Zuid‑Korea.
Het onderzoek was een gezamenlijke inspanning die het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland, het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Rice University in de Verenigde Staten samenbracht, onder het International Doctoral Clusters‑programma.

Toepassingen van nano-gestructureerde materialen

Er zijn verschillende potentiële toepassingen voor deze technologie. Van de lucht- en ruimtevaart tot de automobielindustrie, er is een enorme vraag naar lichtgewicht duurzame materialen. Hieronder staan enkele toepassingen voor deze nieuwe nano‑gestructureerde materialen.

Militair

Het leger blijft zoeken naar lichtgewicht materialen voor alles, van het bouwen van voertuigen tot het creëren van effectievere lichaamspantser. Deze technologische doorbraak kan de soldaten van de toekomst helpen om beter te overleven in oorlogsgebieden en meer te bereiken.

Automobiel

De opkomst van elektrische voertuigen heeft een race op gang gebracht om de lichtste en meest duurzame betaalbare materialen te vinden. De reden voor deze zoektocht is dat de levensduur van EV‑batterijen direct verband houdt met de gewicht‑tot‑vermogen‑ratio van het voertuig. Het verminderen van het gewicht van de bouwmaterialen van EV’s zal leiden tot veel langere rijafstanden.

Lucht- en ruimtevaart

Nano‑gestructureerde materialen worden al lange tijd gebruikt als ultralichte componenten in de lucht‑ en ruimtevaart. Dit materiaal is ideaal voor het maken van onderdelen voor vliegtuigen, helikopters en ruimtevaartuigen. Het lichtgewicht ontwerp en de composietbouw betekenen dat ingenieurs de gewicht‑tot‑lift‑ratio kunnen verbeteren zonder concessies te doen aan de veiligheid.

Bedrijven die nano-gestructureerde materialen kunnen integreren en er baat bij hebben

Er is geen tekort aan bedrijven die kunnen profiteren van sterkere en lichtere materialen. Deze bedrijven bestrijken de hele markt, van industriële fabrikanten tot ontwikkelaars van beschermende uitrusting en sportartikelen. Hieronder staat één bedrijf dat deze technologie vandaag nog kan integreren en directe voordelen kan zien.

TransDigm Group

TransDigm (TDG ) betrad de markt in 1993. Het werd opgericht in Cleveland, OH, als een producent van vliegtuigonderdelen. Het bedrijf breidde snel zijn activiteiten en aanbod uit, waardoor het een belangrijke speler op de markt werd.

Vandaag is TransDigm een van de meest erkende fabrikanten van hooggeëngineerde lucht‑ en ruimtevaartcomponenten, systemen en subsystemen. Het is erin geslaagd een concurrerende kracht te blijven door innovatie en verschillende grootschalige overnames.

Het introduceren van de lichtgewicht en duurzame nano‑gestructureerde materialen die door onderzoekers zijn ontwikkeld, zou het bedrijf helpen om duurzamere opties te creëren. De extra gewichtsreductie en sterkte zouden meer waarde voor consumenten en betere prestaties voor fabrikanten opleveren.

TransDigm heeft momenteel een marktkapitalisatie van $77,1 miljard. Het bedrijf wordt door de meeste analisten beschouwd als een “hold” vanwege zijn positie en bewezen staat van dienst. Wie op zoek is naar een erkende en gevestigde lucht‑ en ruimtevaartproductie‑aandelen, zou TDG moeten overwegen.

Nano-gestructureerde materialen hebben het potentieel om het spel te veranderen

Wanneer u de belangrijke verbeteringen bekijkt die deze lichtgewicht materialen aan verschillende industrieën bieden, is het duidelijk dat ze de markt kunnen veranderen. Het gebruik van lichtere en sterkere materialen zal meerdere markten verbeteren en ingenieurs extra mogelijkheden bieden. Daarom moet men de ingenieurs voor hun inspanningen prijzen.
Learn about other Nanotech Here

Studieverwijzing:

^{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). Ultrahoge specifieke sterkte door Bayesiaanse optimalisatie van koolstofnanolattices. Advanced Materials, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}