科學家利用AI創(chuàng)造出一種全新材料：堅固如鋼輕如泡沫革新航空航天材料科學

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2025-02-11 12:34:05 新浪科技

科學家利用AI創(chuàng)造出一種全新材料：堅固如鋼輕如泡沫革新航空航天材料科學！幾十年來，工程師們一直在尋找既輕便又堅固的材料。如果一種材料能在減輕重量的同時不犧牲耐用性，那么它將變得非常有用，特別是在航空航天行業(yè)，因為每減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，它相對較輕且強度很高，但也有局限性。碳纖維的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則，但它并不耐磨，無法像鋁鈦合金那樣用于航空發(fā)動機。

為了開發(fā)和突破材料科學的極限，加拿大的一個研究團隊轉(zhuǎn)向了納米結(jié)構(gòu)材料，在納米尺度上設計結(jié)構(gòu)以最大限度地提高材料強度并減輕重量。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)。然而，設計這些結(jié)構(gòu)并非易事，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建均勻分布應力的幾何形狀，避免可能開始失效的薄弱點。

為克服這些障礙，研究人員使用了貝葉斯優(yōu)化，這是一種人工智能形式，擅長在無數(shù)選項中找到最佳設計。整個過程從算法生成數(shù)千種潛在設計開始，每種設計都在虛擬環(huán)境中使用有限元分析進行測試。然后，算法改進其設計，迭代出強度和剛度最大化、重量最小化的結(jié)構(gòu)。

人工智能提供了一份優(yōu)化設計的簡短列表后，該團隊使用雙光子聚合技術(shù)（一種可以創(chuàng)建納米級精度結(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1875萬個單元組成。隨后進行熱解，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)化的納米晶格強度比以前的設計高出一倍以上，可承受每立方米每千克密度2.03兆帕的壓力。換句話說，它的強度比許多輕質(zhì)材料如鋁鈦合金，甚至是某些形式的碳纖維高出10倍以上，比鈦高出約5倍。

這是人工智能首次應用于優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)材料，令人震驚的是，人工智能不只是從訓練數(shù)據(jù)中復制成功的幾何形狀，而是從形狀的變化中學習，從而能夠預測全新的晶格幾何形狀。研究人員發(fā)現(xiàn)，將碳梁的直徑減小到300納米時，其強度顯著提高，這是由于一種稱為“尺寸效應”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sp? -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(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斷裂。

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(jù)研究人員估算，如果用這種材料替換現(xiàn)有飛機上由鈦制成的部件，每替換一公斤鈦，每年就可以節(jié)省80升燃料。

(責任編輯：盧其龍 CN070)

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