Un gruppo di scienziati della Facoltà di Scienze Applicate e Ingegneria dell’Università di Toronto ha realizzato una serie di materiali con architettura nanometrica che promettono di rivoluzionare i settori dell’automotive, dell’aeronautica e dell’aerospazio. Questi nuovi materiali si distinguono per la loro straordinaria combinazione di leggerezza e resistenza, potenzialmente in grado di migliorare notevolmente le prestazioni dei veicoli e delle strutture aerospaziali.
La ricerca è stata condotta in collaborazione con il Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST), situato a Daejeon, Corea del Sud. Gli scienziati hanno utilizzato un approccio innovativo che integra intelligenza artificiale e stampa 3D, combinata con la polimerizzazione a due fotoni. Questo metodo all’avanguardia ha permesso di ottenere risultati significativi, aprendo la strada a sviluppi futuri nel campo dei materiali.
Materiali ultra-resistenti e leggeri: la sfida della distribuzione delle tensioni
I materiali sviluppati dai ricercatori presentano una resistenza comparabile a quella dell’acciaio al carbonio, mantenendo una leggerezza simile a quella della schiuma. Tuttavia, la vera sfida è stata affrontare il problema della concentrazione delle sollecitazioni, un fenomeno che porta a cedimenti prematuri nei materiali tradizionali.
Il professor Tobin Filleter ha sottolineato come le strutture reticolari convenzionali tendano a creare angoli e intersezioni che favoriscono l’accumulo di tensioni meccaniche. “Ho realizzato che questa era un’opportunità ideale per applicare l’apprendimento automatico,” ha commentato il ricercatore. Le microstrutture di questi materiali sono costituite da unità ripetitive di alcune centinaia di nanometri, il che implica che ne servirebbero oltre 100 per raggiungere lo spessore di un capello umano.
L’intelligenza artificiale per ottimizzare i materiali: l’uso dell’algoritmo MOBO
Per migliorare la distribuzione delle sollecitazioni, il team ha adottato un metodo di apprendimento automatico con ottimizzazione bayesiana multi-obiettivo (MOBO). Questa strategia ha consentito di identificare le geometrie ideali per ottimizzare la distribuzione delle tensioni e il rapporto resistenza/peso delle strutture nanometriche.
Peter Serles, uno dei membri del team, ha affermato che questa rappresenta la prima volta in cui il machine learning è stato utilizzato per ottimizzare materiali di questo tipo. “I risultati sono stati sorprendenti. Con il MOBO, abbiamo potuto lavorare con un dataset più ridotto ma di qualità superiore,” ha spiegato. Accanto all’intelligenza artificiale, il gruppo ha impiegato una stampante 3D con polimerizzazione a due fotoni presso il Centro di ricerca e applicazione in tecnologie fluidiche (CRAFT). Questo sistema di fabbricazione additiva è in grado di produrre nanostrutture in carbonio che possono resistere a una tensione di 2,03 MPa/m³/kg, circa cinque volte superiore a quella del titanio.
Applicazioni nel settore aerospaziale e prospettive future
Le potenzialità di questi materiali con architettura nanometrica sono notevoli, specialmente nel campo dell’aeronautica e dell’aerospazio. Gli scienziati prevedono che tali materiali possano essere utilizzati per realizzare componenti ultraleggeri per aerei, elicotteri e veicoli spaziali. Questo sviluppo potrebbe portare a una significativa riduzione del consumo di carburante. Peter Serles ha dichiarato: “Se sostituissimo il titanio con questo materiale, potremmo risparmiare 80 litri di carburante all’anno per ogni chilogrammo di materiale impiegato.”
Questa scoperta rappresenterebbe un passo decisivo verso la riduzione dell’impronta di carbonio dell’aviazione. In futuro, il team intende concentrarsi sulla scalabilità della produzione di questi materiali, per permettere la realizzazione di componenti macroscopici a costi contenuti. Inoltre, i ricercatori stanno esplorando nuove configurazioni strutturali per ottenere materiali ancora più leggeri, resistenti e rigidi.
