Un gruppo di ricercatori dell’Università di Toronto ha sviluppato nuovi materiali caratterizzati da un’eccezionale leggerezza e una resistenza simile a quella dell’acciaio al carbonio, grazie all’uso combinato dell’apprendimento automatico e della stampa nano-3D. Questi innovativi materiali potrebbero rivoluzionare diversi settori, tra cui quello aerospaziale, migliorando l’efficienza e riducendo le emissioni.
Materiali ultra-resistenti e leggeri grazie all’ottimizzazione
I materiali sviluppati dal team di ricerca sono strutturati come nanoreticoli, composti da minuscoli blocchi di carbonio che misurano solo poche centinaia di nanometri. La loro peculiarità risiede nel rapporto resistenza/peso, che li rende estremamente promettenti per applicazioni dove è essenziale combinare leggerezza e forza, come nei settori aeronautico e automobilistico.
Peter Serles, il principale autore dello studio e dottorando presso l’Università di Toronto, ha sottolineato che questi materiali nanoarchitettonici sono il risultato di una progettazione avanzata su scala nanometrica, che permette di ottenere prestazioni elevate sia in termini di resistenza che di rigidità. Le strutture tradizionali, tuttavia, presentano limiti, come la possibilità che gli spigoli e gli angoli acuti possano causare accumuli di stress che portano alla rottura. Per risolvere questo problema, il team ha adottato l’apprendimento automatico.
L’uso dell’apprendimento automatico per migliorare le geometrie
Il progetto ha visto una stretta collaborazione con il Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST), dove è stato utilizzato un algoritmo di ottimizzazione bayesiano per determinare le geometrie ideali dei nanoreticoli. Questo approccio ha permesso di migliorare la distribuzione dello stress e ottimizzare il rapporto tra resistenza e peso. I progetti così generati sono stati successivamente realizzati utilizzando una stampante 3D a polimerizzazione a due fotoni, presente presso l’Università di Toronto.
I risultati ottenuti sono stati notevoli: i nuovi materiali hanno raddoppiato la resistenza rispetto alle versioni precedenti e hanno raggiunto una resistenza di 2,03 megapascal per metro cubo per chilogrammo di densità, un valore cinque volte maggiore rispetto al titanio.
Potenziali applicazioni nel settore aerospaziale
Questi materiali innovativi potrebbero avere un grande impatto nel settore aerospaziale. Il professor Tobin Filleter, che ha guidato il progetto, ha spiegato che la sostituzione di componenti in titanio con questi nuovi materiali leggeri potrebbe portare a un risparmio significativo di carburante. Infatti, per ogni chilogrammo di materiale sostituito, si potrebbero risparmiare fino a 80 litri di carburante all’anno.
Prospettive future e miglioramenti nella produzione
Oltre a ottimizzare la progettazione dei materiali, il team di ricerca prevede di migliorare la scalabilità della produzione, con l’obiettivo di rendere economicamente vantaggiosa la produzione su larga scala di questi nuovi materiali per applicazioni industriali a livello macroscopico.
