AI‑designede 3D‑printede nanomaterialer: Sterkere enn stål, lettere enn skum

Fremtiden for romfart og mange andre industrier vil avhenge av at menneskeheten utvikler sterkere, lettere og mer lett tilgjengelige materialer. Fra stål til karbonfiber, helt til dagens mest avanserte nano‑arkitekturerte materialer, er jakten på å skape holdbare, fjærlette komponenter en prioritet på tvers av en rekke vitenskaper. Heldigvis introduserte et forskerteam ledet av University of Toronto’s Faculty of Applied Science & Engineering nylig en ny prosess som har vist lovende resultater. Dette er det du trenger å vite.

Nano‑arkitekturerte materialer

Når det gjelder høy ytelse, er nano‑arkitekturerte materialer blant de sterkeste. De bruker ulike former på nanoskala for å skape høye nivåer av motstand. Disse formene gjentas hundrevis eller tusenvis av ganger. Denne konfigurasjonen skaper unike belastningsforhold og nanoskalaleffekter som bidrar til deres styrke,
Det er verdt å merke seg at siden oppfinnelsen har det vært mange forskjellige versjoner av nano‑arkitekturerte materialer, hver med ulike former og størrelser, som gitterstrukturer, gyroider, bikaker og hybride geometrier. Selv om disse materialene har vist seg å gi ekstra styrke, har det hittil vært noen ulemper med denne teknologien.

Problemer med dagens nano‑arkitekturerte materialer

En av de viktigste ulempene med nano‑arkitekturerte materialer i dag er at de har harde svikt- og bruddpunkter. Strukturen til disse elementene og bruken av standard gitterformer gjør at hjørner og krysspunkter blir utsatt for ekstra belastning. Som følge av manglende jevn fordeling av stress kan dette føre til plutselige katastrofale svikt ved noder og kryss.

Studie av nano‑arkitekturerte materialer

Etter å ha erkjent disse begrensningene, utviklet en gruppe forskere en unik maskinlæringsalgoritme for å undersøke og utvikle mulige nye arkitekturer. Studien kalt Ultrahøy spesifikk styrke ved Bayesisk optimalisering av karbonnanolatticer¹ ble publisert i Advanced Materials.

Denne studien representerer første gang maskinlæring har blitt anvendt på skapelsen av nano‑arkitekturerte materialer. Merk at AI‑algoritmen kombinerte ulike aspekter av materialvitenskap, kjemi og mekanikk for nøyaktig å modellere ytelsen til forskjellige konfigurasjoner, materialer og former. Målet med forskningen er å utnytte effekten «små er sterkere» som nanomaterialer gir.

Kilde – University of Toronto’s Faculty of Applied Science & Engineering

Teamet startet sine operasjoner ved å utnytte den Bayesiske optimaliserings‑maskinlæringsalgoritmen. Denne AI‑algoritmen er ideell sammenlignet med andre alternativer på grunn av sitt bruk av færre datapunkter. Den Bayesiske optimaliserings‑maskinlæringsalgoritmen krever kun 400 datapunkter i motsetning til tusenvis som kreves av andre algoritmer.

Algoritmen analyserte og testet ulike komplekse 3D‑strukturer. Den gjennomgikk viktige datapunkter som stresslokasjoner og bruddtrykk samtidig som den registrerte høyoppløselig karakterisering av den pyrolytiske karbon‑atomstrukturen. Dataene ble deretter brukt til å optimalisere den nye strukturen for ytterligere forbedring av styrke‑til‑vekt‑forholdet.

Test av nano‑arkitekturerte materialer

For å teste teorien deres, 3D‑printet ingeniørene fire kubisk‑flate‑sentrerte kubiske (CFCC) gitter‑generative design med optimaliserte bjelkeformer ved hjelp av to‑fotons polymeriserings‑3D‑printeren i Centre for Research and Application in Fluidic Technologies (CRAFT). Denne enheten muliggjorde multi‑fokus multi‑fotons polymerisering. De trykte testobjektene besto spesifikt av 18.75 millioner nanometer‑store gitterceller.
Det er verdt å merke seg at gitteret brukte en akryl polymerstruktur som deretter ble varmet opp for å krysslinke polymeren til et glassaktig aromatisk karbon. Dette trinnet reduserte den totale størrelsen med 20 %. Deretter ble en rekke trykktester utført.

Resultater fra test av nano‑arkitekturerte materialer

Testene viste at de nye nano‑arkitekturerte materialene hadde forbedringer i styrke på grunn av maskinlærings‑optimalisering av bjelelementer, høy‑renhet pyrolysert karbon og evnen til å lage nanoskalale diametre. Spesielt rangert de nye designene mellom 118 % og 68 % sterkere enn sine forgjengere.
Deres strukturelle effektivitet forbedret seg også. Testen viste bedre stress‑ og vektfordeling samt styrke‑til‑vekt‑forhold enn de opprinnelige designene. Spesielt doblet det nye materialet og designet den tidligere modellens styrke, og oppnådde .03 MPa m³ kg⁻¹ ved lave tettheter.

Fordeler med nano‑arkitekturerte materialer

Fordelene med å bruke Bayesisk‑optimaliserte design og nano‑arkitekturerte pyrolyserte karbon er lett synlige ved første øyekast. Disse materialene gir mer styrke, veier mindre, og kan tilpasses for å møte et bredt spekter av behov.

Styrke

Nanomaterialene og strukturen gir disse ultralette materialene et styrke‑til‑vekt‑forhold som er høyere enn titan. Dermed kan dette materialet forbedre en rekke industrielle og kommersielle oppgaver i de kommende årene.

Minimal vekt

Forskerne konkluderte med at deres skapelse var så lett som styrofoam, selv om den overgikk stål i holdbarhets‑ og styrketester. Nøkkelen til det ultralette designet er bruk av materialer og komponenter med lavere tetthet. Spesielt gir reduksjonen av nanolattice‑stangdiametre til 300 nm et unikt høy‑styrke karbon som overgår forgjengerne.

Bærekraft

Det nye materialet kan bidra til å redusere det høye karbonavtrykket ved flyging i andre industrier som er avhengige av lette komposittmaterialer. Reduksjonen av materialer i produksjonsprosessen fører direkte til økt bærekraft.

Tilpasning

Printprosessen som brukes til å lage materialene gjør at de kan bygges for å passe nesten enhver brukssituasjon, form eller størrelse. Denne ekstra fleksibiliteten skaper nye muligheter for ingeniører til å utvikle bedre systemer som gir høyere ytelse på tvers av flere spekter.

Forskere innen nano‑arkitekturerte materialer

Forskning på nano‑arkitekturerte materialer ble utført ved University of Toronto’s Faculty of Applied Science & Engineering. Den ble ledet av professor Tobin Filleter (MIE). Han fikk bistand fra  Peter Serles, professor Seunghwa, og  Jinwook Yeo fra Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) i Daejeon, Sør‑Korea.
Forskningen var et samarbeid som samlet Karlsruhe Institute of Technology (KIT) i Tyskland, Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Rice University i USA, under International Doctoral Clusters‑programmet.

Anvendelser av nano‑arkitekturerte materialer

Det finnes flere potensielle anvendelser for denne teknologien. Fra romfart til bilindustrien er det stor etterspørsel etter lette, holdbare materialer. Her er noen få anvendelser for disse nye nano‑arkitekturerte materialene.

Militær

Militæret fortsetter å undersøke lette materialer for alt fra bygging av kjøretøy til å lage mer effektiv kroppsrustning. Dette teknologiske gjennombruddet kan hjelpe morgendagens soldater med å overleve krigssoner mer effektivt og oppnå mer.

Bilindustri

Fremveksten av el‑biler har skapt et kappløp om å finne de letteste og mest holdbare rimelige materialene. Årsaken til dette søket er at levetiden til el‑bilbatteriet er direkte knyttet til kjøretøyets vekt‑til‑kraft‑forhold. Reduksjon av vekten på materialer i el‑bilbygging vil gi mye lengre kjøretid.

Romfart

Nano‑arkitekturerte materialer har lenge vært brukt som ultralette komponenter i romfartsapplikasjoner. Dette materialet er ideelt for å lage komponenter til fly, helikoptre og romfartøy. Dette lette designet og komposittkonstruksjonen gjør at ingeniører kan forbedre vekt‑til‑løft‑forholdet uten å gå på kompromiss med sikkerheten.

Bedrifter som kan integrere nano‑arkitekturerte materialer og dra nytte av dem

Det er ingen mangel på selskaper som kan dra nytte av sterkere og lettere materialer. Disse firmaene dekker hele markedet, fra industrielle produsenter til beskyttelsesutstyr og sportutstyr. Her er ett firma som kan integrere denne teknologien i dag og oppnå umiddelbare fordeler.

TransDigm Group

TransDigm (TDG ) kom inn på markedet i 1993. Det ble grunnlagt i Cleveland, OH, som en produsent av flydeler. Selskapet utvidet raskt sine operasjoner og tilbud, noe som hjalp det med å bli en viktig aktør i markedet.

I dag er TransDigm en av de mest anerkjente produsentene av høyt utviklede romfartskomponenter, systemer og delsystemer. Selskapet har klart å forbli en konkurransedyktig kraft gjennom innovasjon og flere høytstående oppkjøp.

Innføringen av de lette og holdbare nano‑arkitekturerte materialene utviklet av forskerne vil hjelpe selskapet med å lage mer holdbare alternativer. Den ekstra vektreduksjonen og styrken vil gi mer verdi for forbrukerne og bedre ytelse for produsentene.

TransDigm har for tiden en markedsverdi på $77,1 milliarder. Selskapet anses som en «hold» av de fleste analytikere på grunn av sin posisjonering og dokumenterte historikk. De som leter etter en anerkjent og etablert aksje innen romfartsproduksjon bør vurdere å se nærmere på TDG.

Nano‑arkitekturerte materialer har potensial til å endre spillet

Når du ser på de store forbedringene disse lette materialene gir til flere industrier, er det lett å se at de er spillendrere. Bruken av lettere og sterkere materialer vil oppgradere flere markeder og gi ingeniører ekstra muligheter. Derfor må du rose ingeniørene for deres innsats.
Lær mer om annen nanoteknologi Her

Studierreferanse:

^{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). Ultrahøy spesifikk styrke ved Bayesisk optimalisering av karbonnanolatticer. Advanced Materials, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}