محققان دانشگاه تورنتو با ترکیب یادگیری ماشین (هوش مصنوعی) و مهندسی در مقیاس نانو، ماده‌ای شگفت‌انگیز خلق کرده‌اند که از نظر استحکام با فولاد برابری می‌کند و مانند یونولیت سبک است.
به گزارش مهر ملت نیوز به نقل از شفقنا، دهه‌هاست که مهندسان به دنبال موادی هستند که هم سبک و هم قوی باشند. توجیه این هدف ساده است: کاهش وزن بدون قربانی کردن دوام. این امر به ویژه در صنایعی مانند هوافضا حیاتی است، جایی که هر گرم صرفه‌جویی در وزن می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجه در سوخت و افزایش عملکرد شود.
در حالی که کشفت فیبر کربن در این زمینه تغییر دهنده بازی بوده است و در مقابل مواد سنتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم وزن بسیار کمتری دارد، اما محدودیت‌های خود را نیز دارد و بدون اشکال نیست. برای رفع این اشکالات، محققان در کانادا به مواد نانوساختار روی آوردند، ساختارهایی که در مقیاس نانو طراحی شده‌اند تا استحکام را به حداکثر و وزن را به حداقل برسانند.
این مواد از طبیعت الهام می‌گیرند و ساختارهای موجود در استخوان‌ها، صدف‌ها و حتی کندو‌های عسل را تقلید می‌کنند. اما طراحی این ساختارها کار آسانی نیست. در واقع چالش در اینجاست که ایجاد چنین هندسه‌ای مشکل است. ساختاری که فشار را به طور مساوی توزیع کند و از نقاط ضعفی که شکستگی می‌تواند از آنجا شروع شود، جلوگیری کند.
برای غلبه بر این موانع، محققان به وسیله هوش مصنوعی به بهینه‌سازی بیزی روی آوردند، نوعی از یادگیری ماشینی که در یافتن بهترین طراحی ممکن در بین گزینه‌های بی‌شمار کمک می‌کندد.
تیم این تحقیقت با تغذیه الگوریتم با داده‌های حاصل از هزاران شبیه‌سازی، توانست کارآمدترین اشکال را برای نانوشبکه‌های کربنی خود شناسایی کند.
نانوشبکه‌های بهینه شده بیش از دو برابر استحکام طرح‌های قبلی را داشتند. آنها در برابر فشار ۲.۰۳ مگاپاسکال بر متر مکعب مقاومت کردند.
حال سوال اینجاست که چه چیزی این نانوشبکه‌ها را اینقدر قوی می‌کند؟ پاسخ در خواص منحصر به فرد کربن در مقیاس نانو نهفته است.
محققان دریافتند که کاهش قطر تیرهای کربنی به فقط ۳۰۰ نانومتر منجر به افزایش قابل توجهی در استحکام می‌شود. این به دلیل پدیده‌ای است که به عنوان “اثر اندازه” شناخته می‌شود، جایی که مواد در مقیاس‌های بسیار کوچک متفاوت رفتار می‌کنند.
در مقیاس نانو، اتم‌های کربن به گونه‌ای خود را مرتب می‌کنند که استحکام را به حداکثر می‌رساند. محققان دریافتند که لایه‌های بیرونی تیرهای کربنی از ۹۴٪ کربن با پیوند sp²، نوعی از کربن که به دلیل استحکام و سختی استثنایی خود شناخته می‌شود، تشکیل شده است. این پوسته کربنی با خلوص بالا، همراه با هندسه بهینه شده تیرها، به ماده اجازه می‌دهد تا نیروهای زیاد را بدون شکستن تحمل کند.
تأثیر بالقوه این کشف بسیار فراتر از آزمایشگاه است. اجزای فوق سبک به زودی می‌توانند هواپیماها، هلیکوپترها و فضاپیماها را تغذیه کنند. قطعات سبک‌تر می‌توانند تقاضای سوخت را کاهش دهند و انتشار گازهای گلخانه‌ای را پایین‌تر بیاورند.
در آینده، محققان قصد دارند طرح‌های خود را بزرگتر کنند که بر بهبود بیشتر مقیاس این طرح‌های مواد برای فعال کردن اجزای ماکروسکوپی مقرون به صرفه متمرکز خواهد بود.
این خبر را اینجا ببینید.
