AI e nano-stampa 3D per nano-reticoli di carbonio: forti come l’acciaio, leggeri come una schiuma
Un team della University of Toronto – Faculty of Applied Science & Engineering insieme alla KAIST (Korea Advanced Institute of Science & Technology) ha progettato e realizzato nano-reticoli di carbonio con resistenze paragonabili agli acciai al carbonio, ma con densità tipiche delle schiume leggere. Il lavoro è stato pubblicato il 23 gennaio 2025 su Advanced Materials con il titolo “Ultrahigh Specific Strength by Bayesian Optimization of Lightweight Carbon Nanolattices”. Co-primi autori: Peter Serles (U of T) e Jinwook Yeo (KAIST); corresponding: Tobin Filleter (U of T) e Seunghwa Ryu (KAIST).
Che cosa sono i nano-reticoli (nanolattices) e perché contano
I campioni sono strutture periodiche tridimensionali su scala sub-micrometrica, in cui la geometria — più della chimica del materiale — governa le proprietà meccaniche. In questo studio, i migliori reticoli hanno mostrato densità nell’ordine di 125–215 kg/m³, rimanendo nell’intorno della “leggerezza da schiuma”, ma con prestazioni meccaniche molto elevate rispetto al peso.
Il ruolo dell’AI: ottimizzazione bayesiana multi-obiettivo
La ricerca ha adottato Bayesian Optimization per esplorare in modo efficiente spazi di progetto ad alta dimensionalità, massimizzando contemporaneamente resistenza specifica e stabilità strutturale. Il flusso combinava simulazioni (FEA) e stampa di prototipi, con una ricerca su vastissimi insiemi di celle unitarie candidate — dell’ordine di centinaia di miliardi di varianti esplorate in modo automatico — fino all’individuazione delle geometrie migliori.
Dalla simulazione al laboratorio: 2PP e conversione in carbonio
Per validare i risultati, i ricercatori hanno stampato le geometrie su scala nano con Two-Photon Polymerization (2PP) e successivamente pirolizzato i campioni, ottenendo reticoli in carbonio con la forma originaria conservata. La 2PP consente diametri di strut di poche centinaia di nanometri (≈300–600 nm) e una fedeltà geometrica adatta a test meccanici significativi.
Numeri chiave: resistenza specifica e dimensioni di prova
Il lavoro riporta una resistenza specifica record di ~2,03 MPa·m³·kg⁻¹ a densità inferiori a 215 kg/m³. È stata inoltre dimostrata la fabbricazione di un unico campione con 18,75 milioni di celle unitarie, a evidenziare che, pur restando su scala miniaturizzata, è possibile realizzare strutture estese per la metrologia e i test.
Quanto “forte come l’acciaio”?
In compressione, i campioni hanno raggiunto valori nell’intervallo tipico degli acciai al carbonio (≈180–360 MPa), a fronte di densità paragonabili al polistirene espanso: un rapporto resistenza/peso che colloca queste architetture tra le più promettenti per alleggerimenti spinti. Va notato che il confronto è riferito a condizioni di prova specifiche e prevalentemente compressive.
Scalabilità: dove sono i limiti oggi
La 2PP eccelle in precisione ma non in produttività o volume: resta una tecnologia lenta e di piccola scala. Gli autori mostrano progressi sul numero di celle stampato in un singolo pezzo, ma sottolineano che la scalabilità è un nodo aperto per applicazioni macroscopiche.
Applicazioni possibili e prossimi passi
Aerospace, automotive e robotica sono i settori più interessati: ogni grammo risparmiato conta, purché non si sacrifichi la robustezza. La stessa strategia di progettazione AI-guided può estendersi oltre il carbonio pirolitico — a polimeri, ceramiche o metalli — se la risoluzione di stampa alla scala pertinente ne preserva la funzione della geometria.
Chi fa gli strumenti (panorama industriale)
Sistemi commerciali per 2PP sono offerti da aziende come Nanoscribe (Gruppo Lab14) e UpNano, che presidiano il mercato della micro/nano-fabbricazione additiva; non sono indicati come fornitori nello studio, ma sono rappresentativi della tecnologia utilizzata
