科學(xué)家用AI創(chuàng)造全新材料：既像鋼一樣堅(jiān)固 又像泡沫一樣輕

幾十年來，工程師們一直在尋找既輕便又堅(jiān)固的材料，如果一種材料減輕重量的同時(shí)又不犧牲耐用性的話，那么它會(huì)變得非常有用，特別是在航空航天行業(yè)，因?yàn)槊繙p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(duì)較輕同時(shí)強(qiáng)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(diǎn)，例如它并不耐磨，不可能像鋁鈦合金那樣用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了開發(fā)和突破材料科學(xué)的極限，加拿大的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了納米結(jié)構(gòu)材料——在納米尺度上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高材料強(qiáng)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(jì)這些結(jié)構(gòu)并非易事，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建均勻分布應(yīng)力的幾何形狀，且避免可能開始失效的薄弱點(diǎn)。

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(zhǎng)在無數(shù)選項(xiàng)中找到最佳設(shè)計(jì)。

整個(gè)過程從算法生成數(shù)千種潛在設(shè)計(jì)開始。

每種設(shè)計(jì)都在虛擬環(huán)境中使用有限元分析進(jìn)行測(cè)試(有限元分析是一種預(yù)測(cè)材料在壓力下表現(xiàn)的計(jì)算方法)，然后算法改進(jìn)其設(shè)計(jì)，迭代設(shè)計(jì)出強(qiáng)度和剛度最大化、重量最小化的結(jié)構(gòu)。

人工智能提供了一份優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)短列表之后，該團(tuán)隊(duì)使用雙光子聚合技術(shù)(這是一種可以創(chuàng)建納米級(jí)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(gè)單元組成。

最后進(jìn)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(qiáng)度比以前的設(shè)計(jì)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(qiáng)度高出10倍以上，比鈦高出約5倍。

這是人工智能首次應(yīng)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(xùn)練數(shù)據(jù)中復(fù)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(xué)習(xí)，從而使其能夠預(yù)測(cè)全新的晶格幾何形狀。

還有一個(gè)問題，是什么讓這些納米晶格變得如此堅(jiān)固?

答案在于碳在納米尺度上的獨(dú)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(shí)，其強(qiáng)度可顯著提高，這是由于一種稱為“尺寸效應(yīng)”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(qiáng)度越高)。

在納米尺度上，碳原子以最大化強(qiáng)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(qiáng)度和剛度而聞名。

這種高純度碳?xì)づc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(huì)斷裂。

最后

研究人員推測(cè)，這種材料的潛在影響可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)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(huì)為飛機(jī)、直升機(jī)和航天器提供動(dòng)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(jī)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。