Theo Live Science, các nhà khoa học đã sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để thiết kế những vật liệu nano chưa từng thấy trước đây, có độ bền ngang thép carbon nhưng lại nhẹ như xốp.
Những vật liệu nano mới này, được tạo ra bằng cách kết hợp học máy với công nghệ in 3D, có độ bền cao gấp đôi so với các thiết kế hiện có. Các nhà khoa học đứng sau nghiên cứu này cho biết chúng có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận bền hơn, nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn cho máy bay và ô tô. Họ đã công bố phát hiện của mình vào ngày 23/1 trên tạp chí Advanced Materials.
"Chúng tôi hy vọng những thiết kế vật liệu mới này cuối cùng sẽ dẫn đến các bộ phận siêu nhẹ trong ngành hàng không vũ trụ, như máy bay, trực thăng và tàu vũ trụ, giúp giảm nhu cầu nhiên liệu khi bay mà vẫn đảm bảo an toàn và hiệu suất", đồng tác giả Tobin Filleter, giáo sư kỹ thuật tại Đại học Toronto, cho biết trong một tuyên bố. Điều này có thể giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon từ ngành hàng không.
Trong nhiều loại vật liệu, độ bền và độ dai thường mâu thuẫn với nhau. Lấy ví dụ một chiếc đĩa sứ: tuy có thể chịu tải nặng nhưng lại rất dễ vỡ khi bị tác động mạnh.
Vấn đề tương tự cũng xảy ra với các vật liệu nano có cấu trúc kiến trúc (nano-architectured materials), vốn được tạo thành từ hàng loạt khối cấu trúc siêu nhỏ, có kích thước chỉ bằng 1/100 sợi tóc con người. Những vật liệu này có độ cứng và độ bền cao so với trọng lượng của chúng, nhưng đồng thời cũng dễ bị nứt gãy đột ngột do áp lực tập trung. Cho đến nay, xu hướng dễ vỡ này đã hạn chế các ứng dụng thực tế của chúng.
"Khi suy nghĩ về thách thức này, tôi nhận ra đây là một bài toán lý tưởng để học máy giải quyết". Peter Serles, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu kỹ thuật tại Viện Công nghệ California (Caltech), cho biết trong một tuyên bố.
Để tìm ra cách thiết kế vật liệu nano tối ưu hơn, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng các cấu trúc hình học khả thi trước khi đưa chúng vào thuật toán học máy. Bằng cách học từ những thiết kế được tạo ra, thuật toán có thể dự đoán những hình dạng tối ưu giúp phân bổ đều ứng suất tác động trong khi vẫn chịu được tải trọng lớn.
Với những hình dạng này trong tay, các nhà khoa học đã sử dụng máy in 3D để tạo ra các mạng lưới nano (nanolattices) mới. Kết quả cho thấy chúng có thể chịu được ứng suất 2,03 megapascal trên mỗi mét khối vật liệu cho mỗi kg - độ bền cao gấp 5 lần so với titan.
"Đây là lần đầu tiên học máy được áp dụng để tối ưu hóa các vật liệu nano có cấu trúc kiến trúc, và chúng tôi thực sự bất ngờ trước những cải thiện đạt được", Serles nói. "Nó không chỉ sao chép những hình dạng hiệu quả từ dữ liệu huấn luyện, mà còn học được sự khác biệt giữa những thay đổi hữu ích, từ đó có thể dự đoán ra những cấu trúc hoàn toàn mới."
Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo của họ sẽ là mở rộng quy mô vật liệu này để chế tạo các bộ phận lớn hơn, đồng thời tiếp tục tìm kiếm những thiết kế tối ưu hơn bằng quy trình này. Mục tiêu chính là phát triển các bộ phận nhẹ hơn nhưng bền hơn cho các phương tiện trong tương lai.
"Ví dụ, nếu thay thế các bộ phận bằng titan trên một chiếc máy bay bằng loại vật liệu này, chúng ta có thể tiết kiệm khoảng 80 lít nhiên liệu mỗi năm cho mỗi kg vật liệu được thay thế", Serles cho biết.
