幾十年來，工程師們一直在尋找既輕便又堅固的材料，如果一種材料減輕重量的同時又不犧牲耐用性的話，那么他會變得非常有用，特別是在航空航天行業，因為每減輕一克重量都可以節省大量燃料并提高性能。

鋁鈦合金是航空航天的傳統材料，它相對較輕同時強度又很高，但有其局限性；碳纖維的出現雖然改變了游戲規則，但也并非沒有缺點，例如它并不耐磨，不可能像鋁鈦合金那樣用于航空發動機。

為了開發和突破材料科學的極限，加拿大的一個研究團隊轉向了納米結構材料——在納米尺度上設計結構，以最大限度地提高材料強度和減輕重量。

他們從大自然中汲取靈感，模仿骨骼、貝殼甚至蜂巢中的結構。

但設計這些結構并非易事，挑戰在于創建均勻分布應力的幾何形狀，且避免可能開始失效的薄弱點。

為了克服這些障礙，研究人員轉向了貝葉斯優化，這是一種人工智能（AI）形式，擅長在無數選項中找到最佳設計。

△ 低密度下高抗壓強度碳納米晶格生成設計的多目標貝葉斯優化，圖源：Advanced Materials

整個過程從算法生成數千種潛在設計開始。

每種設計都在虛擬環境中使用有限元分析進行測試（有限元分析是一種預測材料在壓力下表現的計算方法），然后算法改進其設計，迭代設計出強度和剛度最大化、重量最小化的結構。

人工智能提供了一份優化設計的簡短列表之后，該團隊使用雙光子聚合技術（這是一種可以創建納米級精度結構的 3D 打印技術）物理創建了所提出的材料。

利用這種技術，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 萬個單元組成。

最后進行熱解，這一過程通過在富氮環境中將聚合物加熱到900攝氏度將其轉化為玻璃碳。

這些經過人工智能優化的納米晶格強度比以前的設計高出一倍以上，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，它比許多輕質材料——如鋁鈦合金，甚至是某些形式的碳纖維的強度高出10倍以上，比鈦高出約5倍。

這是人工智能首次應用于優化納米結構材料，讓人感到震驚的是，人工智能不只是從訓練數據中復制成功的幾何形狀，而是從形狀的哪些變化有效、哪些無效中學習，從而使其能夠預測全新的晶格幾何形狀。

還有一個問題，是什么讓這些納米晶格變得如此堅固？

答案在于碳在納米尺度上的獨特性質。

研究人員發現，將碳梁的直徑減小到300納米時，其強度可顯著提高，這是由于一種稱為“尺寸效應”的現象，即材料在極小的尺度上表現不同（尺寸越小則強度越高）。

在納米尺度上，碳原子以最大化強度的方式排列，碳梁的外層由94%的sp2 -碳組成，這種碳形式以出色的強度和剛度而聞名。

這種高純度碳殼與梁的優化幾何形狀相結合，使材料能夠承受巨大的力量而不會斷裂。

最后

研究人員推測，這種材料的潛在影響可能會遠遠超出實驗室范圍。

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為飛機、直升機和航天器提供動力。

根據該研究的研究人員估算，如果用這種材料替換現有飛機上由鈦制成的部件的話，那么每替換一公斤鈦，每年就可以節省 80 升燃料。

本文翻譯自：
https://www.zmescience.com/science/news-science/scientists-create-a-material-as-strong-as-steel-but-light-as-styrofoam-using-ai/