AI助力造出高強度輕型納米材料

    一個國際科研團隊日前報告說，他們借助機器學習優化設計出新型碳納米材料，其強度堪比碳鋼，卻像泡沫塑料一樣輕。

    來自加拿大多倫多大學、韓國科學技術院等多家機構的研究人員在美國期刊《先進材料》上發表論文說，這種新型納米結構材料的微觀結構經過人工設計，由大量相同的納米晶格有規律地排列形成，晶格的幾何結構直接影響材料性質，最終使新型碳納米材料擁有了天然材料所不具備的超常物理特性。

    研究團隊採用了多目標貝葉斯優化機器學習算法。該算法通過學習模擬幾何結構，預測出能夠優化應力分佈、提升納米結構強度——重量比的最佳幾何形狀，因此得以優化晶格設計、減少材料的內部缺陷。該算法用較少的高質量數據就能完成訓練，不像一般的機器學習模型那樣需要海量數據。

    利用算法獲得幾種新的晶格設計方案後，研究人員用3D打印技術製出了新材料的樣本。實驗表明，其抗壓強度達到碳鋼的水平，密度則低於每立方米二百一十五千克，與一些泡沫塑料相當。與鈦合金相比，新材料能以幾分之一的質量達到相同的強度。該團隊優化的納米晶格強度是現有設計的兩倍多，每立方米每公斤密度可承受二點○三兆帕的壓力——大約是鈦的五倍。

    這些材料的潛在應用非常廣泛，研究人員設想航空航天業為飛機、直升機和航天器製造超輕型部件。研究人員估計，用這種新材料替換飛機上的鈦部件，每替換一公斤材料每年可節省八十升，有助於減少飛行的高碳足蹟。該項彙集了材料科學、機器學習、化學和力學等多種元素，涉及與德國卡爾斯魯厄理工學院、麻省理工學院和萊斯大學的國際合作夥伴的合作。下一步是改進這些材料設計的規模化。該團隊還計劃探索新的基質，將材料結構的密度推向更低，同時保持高強度和剛度。

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