I ricercatori dell’Università di Toronto hanno progettato materiali nano-architettati che hanno la resistenza dell’acciaio al carbonio e la leggerezza del polistirolo per impiegarli in un’ampia gamma di settori, dall’automotive all’aerospaziale.
Attraverso l’apprendimento automatico, i ricercatori della Facoltà di scienze applicate e ingegneria dell’Università di Toronto hanno progettato materiali nano-architettati che hanno la resistenza dell’acciaio al carbonio e la leggerezza del polistirolo. Questa combinazione contrastante di eccezionale resistenza, leggerezza e personalizzazione potrebbe avvantaggiare un’ampia gamma di settori, dall’automotive all’aerospaziale.
I materiali nano-architettati sono costituiti da minuscoli blocchi di costruzione o unità ripetute di dimensioni di poche centinaia di nanometri: ce ne vorrebbero più di 100 disposti in fila per raggiungere lo spessore di un capello umano. Questi blocchi di costruzione, che in questo caso sono composti da carbonio, sono disposti in complesse strutture 3D chiamate nanoreticoli.
Per progettare i loro materiali migliorati, i ricercatori dell’Università di Toronto hanno lavorato con i colleghi del Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST), in Corea del Sud.
Realizzare componenti ultraleggeri
Il team KAIST ha impiegato l’algoritmo di apprendimento automatico di ottimizzazione bayesiana multi-obiettivo. Questo algoritmo ha appreso da geometrie simulate per prevedere le migliori geometrie possibili per migliorare la distribuzione dello stress e il rapporto resistenza-peso dei progetti nano-architettati.
Il team canadese ha quindi utilizzato una stampante 3D a polimerizzazione a due fotoni ospitata nel Centro per la ricerca e l’applicazione nelle tecnologie fluidiche (CRAFT) per creare prototipi per la convalida sperimentale. Questa tecnologia di produzione additiva consente la stampa 3D su scala micro e nano, creando nanoreticoli di carbonio ottimizzati. I nanoreticoli ottimizzati hanno più che raddoppiato la resistenza dei progetti esistenti, resistendo a uno stress di 2,03 megapascal per ogni metro cubo per chilogrammo della sua densità, che è circa cinque volte superiore al titanio.
“Questa è la prima volta che l’apprendimento automatico è stato applicato per ottimizzare i materiali nano-architettati e siamo rimasti scioccati dai miglioramenti. Il sistema non ha semplicemente replicato geometrie di successo dai dati di training, ma ha imparato dalle modifiche alle forme funzionanti consentando di prevedere geometrie reticolari completamente nuove” afferma il primo autore Peter Serles.
“Ci auguriamo che questi nuovi progetti di materiali alla fine portino a componenti ultraleggeri in applicazioni aerospaziali, come aerei, elicotteri e veicoli spaziali, in grado di ridurre la richiesta di carburante durante il volo mantenendo sicurezza e prestazioni. Un miglioramento che può contribuire a ridurre l’elevata impronta di carbonio del volo” commenta il ricercatore a capo del progetto Tobin Filleter
“Per esempio, se si dovessero sostituire componenti in titanio su un aereo con questo materiale, si otterrebbe un risparmio di carburante di 80 litri all’anno per ogni chilogrammo di materiale sostituito” aggiunge Serles.
I prossimi passi degli ingegneri dell’Università di Toronto si concentreranno sull’ulteriore miglioramento della scalabilità di questi progetti di materiali per consentire componenti macroscalari convenienti e sull’esplorazione di nuovi progetti che spingano le architetture dei materiali a una densità ancora inferiore, mantenendo al contempo elevata resistenza e rigidità.
