Investigadores de la Universidad de Toronto han utilizado el aprendizaje automático para diseñar materiales con la resistencia del acero pero la ligereza del poliestireno. En el artículo adjunto, se describe cómo crearon nanomateriales con propiedades que ofrecen una combinación contradictoria de resistencia excepcional, peso ligero y capacidad de personalización. El enfoque podría beneficiar a una amplia gama de industrias. El texto analiza los avances en materiales centrándose especialmente en las nanoredes de carbono optimizadas. Estos materiales se diseñan mediante optimización bayesiana multiobjetivo y polimerización de dos fotones, logrando una impresionante resistencia específica a bajas densidades. El proceso de optimización da como resultado mejoras significativas tanto en la resistencia como en el módulo de Young. Además, al reducir los diámetros de los puntales de las nanoredes, se crea un carbono de alta resistencia con propiedades únicas. El estudio demuestra el potencial para crear metamateriales escalables en milímetros con dimensiones nanométricas que combinan la resistencia del acero al carbono y la baja densidad del poliestireno, ofreciendo nuevas posibilidades para aplicaciones de diseño industrial.
Abstract
Nanoarchitected materials are at the frontier of metamaterial design and have set the benchmark for mechanical performance in several contemporary applications. However, traditional nanoarchitected designs with conventional topologies exhibit poor stress distributions and induce premature nodal failure. Here, using multi-objective Bayesian optimization and two-photon polymerization, optimized carbon nanolattices with an exceptional specific strength of 2.03 MPa m3 kg−1 at low densities <215 kg m−3 are created. Generative design optimization provides experimental improvements in strength and Young’s modulus by as much as 118% and 68%, respectively, at equivalent densities with entirely different lattice failure responses. Additionally, the reduction of nanolattice strut diameters to 300 nm produces a unique high-strength carbon with a pyrolysis-induced atomic gradient of 94% sp2 aromatic carbon and low oxygen impurities. Using multi-focus multi-photon polymerization, a millimeter-scalable metamaterial consisting of 18.75 million lattice cells with nanometer dimensions is demonstrated. Combining Bayesian optimized designs and nanoarchitected pyrolyzed carbon, the optimal nanostructures exhibit the strength of carbon steel at the density of Styrofoam offering unparalleled capabilities in light-weighting, fuel reduction, and contemporary design applications.
