Inventato nuovo e rivoluzionario materiale grazie all’IA: è duro come il metallo e leggero come la plastica

Un team di ricercatori della Facoltà di Scienze Applicate e Ingegneria dell’Università di Toronto ha sviluppato materiali con architettura nanometrica innovativi, caratterizzati da un’eccezionale combinazione di resistenza e leggerezza. Questi materiali potrebbero trovare applicazione in settori chiave come automotive, aeronautica e aerospazio.

La ricerca è frutto di una collaborazione con il Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) di Daejeon, in Corea del Sud, e si basa su un approccio all’avanguardia che combina intelligenza artificiale e stampa 3D con polimerizzazione a due fotoni. Scopriamo nel dettaglio questa rivoluzionaria scoperta.

Materiali ultra-resistenti e leggeri: la sfida della distribuzione delle tensioni

I nuovi materiali con architettura nanometrica sviluppati dai ricercatori combinano una resistenza paragonabile a quella dell’acciaio al carbonio con una leggerezza simile a quella della schiuma. Tuttavia, la sfida principale affrontata dagli scienziati è stata quella di risolvere il problema della concentrazione delle sollecitazioni, che nei materiali tradizionali causa spesso cedimenti prematuri.

Il professor Tobin Filleter ha spiegato che le strutture reticolari standard presentano angoli e intersezioni che favoriscono l’accumulo di tensioni meccaniche, aumentando il rischio di rottura. “Affrontando questa problematica, ho capito che si trattava di un caso perfetto per l’apprendimento automatico“, ha dichiarato il ricercatore.

Alla base di questi materiali vi sono microstrutture composte da unità ripetitive di appena qualche centinaio di nanometri. Per fare un paragone, sarebbe necessario allinearene oltre 100 per raggiungere lo spessore di un capello umano.

L’intelligenza artificiale per ottimizzare i materiali: l’uso dell’algoritmo MOBO

Per migliorare la distribuzione delle sollecitazioni, il team ha adottato un approccio basato su apprendimento automatico con ottimizzazione bayesiana multi-obiettivo (MOBO). Questo metodo ha permesso di individuare le geometrie ideali per migliorare la distribuzione delle tensioni e il rapporto resistenza/peso delle strutture con architettura nanometrica.

Secondo Peter Serles, questa è la prima volta che il machine learning viene applicato all’ottimizzazione di materiali di questo tipo. “I risultati ci hanno sorpreso. Inoltre, grazie al MOBO, abbiamo potuto lavorare con un dataset più ridotto ma di qualità superiore“, ha spiegato il ricercatore.

Oltre all’intelligenza artificiale, il team ha utilizzato una stampante 3D con polimerizzazione a due fotoni, situata presso il Centro di ricerca e applicazione in tecnologie fluidiche (CRAFT). Questo avanzato sistema di fabbricazione additiva permette la creazione di nanostrutture in carbonio capaci di sopportare una tensione di 2,03 MPa/m³/kg, circa 5 volte superiore a quella del titanio.

Applicazioni nel settore aerospaziale e prospettive future

Le possibili applicazioni di questi materiali con architettura nanometrica sono ampiamente promettenti, soprattutto nel settore aeronautico e aerospaziale. Gli scienziati prevedono che potrebbero essere utilizzati per realizzare componenti ultraleggeri per aerei, elicotteri e veicoli spaziali, contribuendo a ridurre significativamente il consumo di carburante, come dichiarato da Peter Serles:

Se sostituissimo il titanio con questo materiale, potremmo risparmiare 80 litri di carburante all’anno per ogni chilogrammo di materiale impiegato.

Questo traguardo rappresenterebbe un passo avanti fondamentale per ridurre l’impronta di carbonio dell’aviazione.

In futuro, il team si concentrerà sulla scalabilità della produzione di questi materiali, per consentire la fabbricazione di componenti macroscopici a costi contenuti. Inoltre, i ricercatori stanno esplorando nuove configurazioni strutturali per ottenere materiali ancora più leggeri, resistenti e rigidi.

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Fonte: Advanced Materials

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