幾十年來，工程師們一直在尋找既輕便又堅固的材料，如果一種材料減輕重量的同時又不犧牲耐用性的話，那么他會變得非常有用，特別是在航空航天行業(yè)，因為每減輕一克重量都可以節(jié)省大量燃料并提高性能。
鋁鈦合金是航空航天的傳統(tǒng)材料，它相對較輕同時強度又很高，但有其局限性；碳纖維的出現(xiàn)雖然改變了游戲規(guī)則，但也并非沒有缺點，例如它并不耐磨，不可能像鋁鈦合金那樣用于航空發(fā)動機。
為了開發(fā)和突破材料科學的極限，加拿大的一個研究團隊轉(zhuǎn)向了納米結(jié)構(gòu)材料——在納米尺度上設(shè)計結(jié)構(gòu)，以大限度地提高材料強度和減輕重量。
他們從大自然中汲取靈感，模仿骨骼、貝殼甚至蜂巢中的結(jié)構(gòu)。
但設(shè)計這些結(jié)構(gòu)并非易事，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建均勻分布應力的幾何形狀，且避免可能開始失效的薄弱點。
為了克服這些障礙，研究人員轉(zhuǎn)向了貝葉斯優(yōu)化，這是一種人工智能（AI）形式，擅長在無數(shù)選項中找到佳設(shè)計。
△ 低密度下高抗壓強度碳納米晶格生成設(shè)計的多目標貝葉斯優(yōu)化，圖源：Advanced Materials
整個過程從算法生成數(shù)千種潛在設(shè)計開始。
每種設(shè)計都在虛擬環(huán)境中使用有限元分析進行測試（有限元分析是一種預測材料在壓力下表現(xiàn)的計算方法），然后算法改進其設(shè)計，迭代設(shè)計出強度和剛度大化、重量小化的結(jié)構(gòu)。
人工智能提供了一份優(yōu)化設(shè)計的簡短列表之后，該團隊使用雙光子聚合技術(shù)（這是一種可以創(chuàng)建納米級精度結(jié)構(gòu)的 3D 打印技術(shù)）物理創(chuàng)建了所提出的材料。
利用這種技術(shù)，他們制造出由厚度僅為300至600納米的梁組成的晶格，這些晶格（6.3x6.3x3.8毫米）由 1875 萬個單元組成。
后進行熱解，這一過程通過在富氮環(huán)境中將聚合物加熱到900攝氏度將其轉(zhuǎn)化為玻璃碳。
這些經(jīng)過人工智能優(yōu)化的納米晶格強度比以前的設(shè)計高出一倍以上，它們可承受每立方米每千克密度 2.03 兆帕的壓力。
換句話說，它比許多輕質(zhì)材料——如鋁鈦合金，甚至是某些形式的碳纖維的強度高出10倍以上，比鈦高出約5倍。
這是人工智能首次應用于優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)材料，讓人感到震驚的是，人工智能不只是從訓練數(shù)據(jù)中復制成功的幾何形狀，而是從形狀的哪些變化有效、哪些無效中學習，從而使其能夠預測全新的晶格幾何形狀。
還有一個問題，是什么讓這些納米晶格變得如此堅固？
答案在于碳在納米尺度上的獨特性質(zhì)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，將碳梁的直徑減小到300納米時，其強度可顯著提高，這是由于一種稱為“尺寸效應”的現(xiàn)象，即材料在極小的尺度上表現(xiàn)不同（尺寸越小則強度越高）。
在納米尺度上，碳原子以大化強度的方式排列，碳梁的外層由94%的sp? -碳組成，這種碳形式以出色的強度和剛度而聞名。
這種高純度碳殼與梁的優(yōu)化幾何形狀相結(jié)合，使材料能夠承受巨大的力量而不會斷裂。
后
研究人員推測，這種材料的潛在影響可能會遠遠超出實驗室范圍。
更輕的部件可以減少燃料需求并降低排放，由這種材料制成的超輕部件可能很快會為飛機、直升機和航天器提供動力。
根據(jù)該研究的研究人員估算，如果用這種材料替換現(xiàn)有飛機上由鈦制成的部件的話，那么每替換一公斤鈦，每年就可以節(jié)省 80 升燃料。
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