Araştırmacılar, Titanyumdan Daha Hafif ve Daha Dayanıklı Nanomalzemeler Geliştirdi

Toronto Üniversitesi Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik Fakültesi araştırmacıları, makine öğrenimini kullanarak karbon çeliğinin dayanıklılığı ile straforun hafifliğini birleştiren yenilikçi nanomalzemeler geliştirdi. Profesör Tobin Filleter liderliğindeki ekip, dayanıklılık, hafiflik ve özelleştirilebilirlik açısından benzersiz özelliklere sahip malzemeler tasarlarken, yalnızca birkaç yüz nanometre boyutunda tekrar eden yapı taşlarından yararlandı. 100 tanesi bir araya gelse bile bir insan saç telinin kalınlığına ancak ulaşabilen bu mikro ölçekli yapılar, mekanik performansı en üst düzeye çıkarmak için optimize edildi.

Araştırmacılar, çok amaçlı Bayes optimizasyonu kullanan bir makine öğrenimi algoritması ile nano-mimari tasarımların gerilim dağılımını iyileştirmek ve dayanıklılık-ağırlık oranını artırmak için en uygun geometrileri belirledi. Geleneksel yöntemlerde 20.000’den fazla veri noktasına ihtiyaç duyulurken, yeni algoritma yalnızca 400 veri noktasıyla çalışarak daha küçük ancak yüksek kaliteli bir veri kümesiyle hızlı ve isabetli sonuçlar üretti. Bu aşamada, ekip Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden (KAIST) Profesör Seunghwa Ryu ve doktora öğrencisi Jinwook Yeo ile iş birliği yaptı.

Çalışma, makine öğreniminin nano-mimari malzemelerin optimizasyonunda ilk kez kullanıldığı araştırma olarak bilim dünyasında bir ilke imza attı. Projenin başyazarı Peter Serles, elde edilen sonuçlar karşısında şaşkınlıklarını dile getirerek "Algoritma, yalnızca eğitim verilerindeki başarılı geometrileri tekrar oluşturmakla kalmadı, hangi şekil değişikliklerinin işe yaradığını öğrenerek tamamen yeni kafes geometrileri öngördü." dedi.

Ekip, optimize edilen tasarımları iki foton polimerizasyonlu 3D yazıcı kullanarak gerçeğe dönüştürdü ve mikro- ve nano-ölçekte karbon nanokafesler üretti. Testlerde, mevcut tasarımlara kıyasla iki kat daha dayanıklı olduğu ve yoğunluk başına 2,03 megapascal gerilime dayanabildiği belirlendi. Titanyumdan yaklaşık beş kat daha güçlü olduğu tespit edilen bu yeni yapı, ileri teknoloji uygulamalarında devrim yaratabilecek nitelikte.

Havacılık, otomotiv ve savunma sanayii gibi alanlarda büyük dönüşümlere kapı aralayan nanomalzemeler, ultra hafif ve son derece dayanıklı bileşenlerin üretimine olanak tanıyor. Profesör Filleter, özellikle havacılık sektöründe uçak, helikopter ve uzay araçları için yüksek performanslı parçaların üretilmesinin mümkün hale geleceğini belirtiyor. Araştırmacılar, titanyum bileşenlerin yeni malzemelerle değiştirilmesi durumunda, kilogram başına yılda 80 litre yakıt tasarrufu sağlanabileceğini öngörüyor. Bu gelişme, havacılık sektöründeki karbon ayak izinin azaltılması açısından önemli bir adım olarak değerlendiriliyor.

Çalışma, malzeme bilimi, makine öğrenimi, kimya ve mekanik gibi birçok farklı disiplini bir araya getirerek uluslararası çapta geniş kapsamlı bir iş birliğiyle yürütüldü. Almanya’daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü, MIT ve Rice Üniversitesi’nden araştırmacılar da projeye katkı sağladı.

Araştırma ekibinin bir sonraki hedefi, malzeme tasarımlarını büyük ölçekli üretime uygun hale getirmek. Ayrıca, yoğunluğu daha da azaltarak mukavemet ve sertliği koruyacak yeni matrislerin keşfedilmesi planlanıyor. Böylece, hafif, güçlü ve son derece dayanıklı nanomalzemeler geliştirerek sanayinin farklı alanlarında kullanım imkânı genişletilecek.

‍

‍

‍

Kaynak: https://www.techspot.com/news/106610-researchers-used-ai-build-groundbreaking-nanomaterials-lighter-stronger.html