像钢一样坚固像泡沫一样轻 AI 为太空和运输提出了新的材料

摘要：传统的车辆材料选择很小：在所有情况下，首先，您必须考虑重量并在强度和轻便之间寻找折中方案。3D 打印的出现为该领域翻开了新的一页，由于“支柱”的复杂内部结构，可以在不影响其强度的情况下减轻部件的重量。机器学习将打开下一页，帮助预测材料的最佳纳米架构以实现最大强

传统的车辆材料选择很小：在所有情况下，首先，您必须考虑重量并在强度和轻便之间寻找折中方案。3D 打印的出现为该领域翻开了新的一页，由于“支柱”的复杂内部结构，可以在不影响其强度的情况下减轻部件的重量。机器学习将打开下一页，帮助预测材料的最佳纳米架构以实现最大强度。

来自肥皂泡顶部晶格中的 1870 万个细胞的材料。图片来源： Peter Serles / 多伦多大学工程学院

多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员使用机器学习开发了纳米结构材料，这些材料具有碳钢的强度和聚苯乙烯泡沫塑料的轻便性。一篇基于研究结果的文章于 2025 年 1 月 23 日发表在《先进材料》杂志上。该论文描述了创建纳米材料的过程，其特性结合了卓越的强度、重量轻和可定制性。这种方法可以使从汽车到航空航天的广泛行业受益。

“纳米建筑材料结合了高性能形状，例如由纳米级三角形制成的桥，这使得'越小越强'的效果能够实现任何材料中最高的强度重量比之一，”新论文的主要作者 Peter Serles 说。“然而，标准的晶格形状和几何形状往往具有锐角的交点，从而导致应力集中问题。这会导致材料的早期局部失效，从而限制其整体 [强度] 潜力。

通过让来自韩国（KAIST）的同事参与寻找解决方案，他们使用多用途贝叶斯优化对指定参数进行了机器学习，研究人员能够根据材料中的最佳应力分布预测纳米结构的最佳几何配置。

根据计算，位于液体技术研究与应用中心（CRAFT）的双光子聚合 3D 打印机以优化的碳晶格形式打印了纳米建筑材料的样品。测试表明，新材料的强度是钛的五倍。