Uma equipe de cientistas alcançou o que parecia inatingível: um material tão resistente quanto o aço, mas leve como o poliestireno. É cinco vezes mais resistente que o titânio.
Usando inteligência artificial, eles desenvolveram uma estrutura geométrica com nanorréticulas de carbono. Impresso em 3D, este metamaterial promete revolucionar a indústria manufatureira se sua produção em larga escala for viável.
Os pesquisadores da Faculdade de Ciências Aplicadas e Engenharia da Universidade de Toronto usaram aprendizado de máquina para projetar esse material em nível nanoscópico, combinando a resistência do aço com a leveza do poliestireno.
Em um artigo publicado na Advanced Materials, a equipe liderada pelo professor Tobin Filleter detalha a criação deste nanomaterial com propriedades verdadeiramente extraordinárias. Seu potencial abrange desde automóveis até naves espaciais, incluindo aviões comerciais e militares.
Características do novo material mais resistente que o titânio
“Os materiais nanoarquitetônicos combinam formas de alto desempenho, como pontes com triângulos, em escalas nanométricas, alcançando algumas das relações mais altas de resistência-peso e rigidez-peso de qualquer material”, afirma Peter Serles, primeiro autor do estudo.
No entanto, as geometrias padrão de treliça tendem a ter interseções e cantos afiados, o que causa concentrações de tensão e falhas locais, limitando seu potencial real.
Isso é algo que eles resolveram com inteligência artificial. “Ao pensar nesse desafio, percebi que era um problema perfeito para o aprendizado de máquina“, diz Serles.
Aplicações futuras e expectativas
O material é feito de pequenos blocos de construção de carbono, organizados em estruturas tridimensionais complexas chamadas nanorréticulas ou nanomalhas.
Para projetar este novo material, Serles e Filleter colaboraram com o professor Seunghwa Ryu e o estudante de doutorado Jinwook Yeo no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST). Eles usaram o algoritmo de otimização bayesiana multiobjetivo, que aprende com geometrias simuladas para prever as melhores estruturas e otimizar a relação resistência-peso dos projetos nanoarquitetônicos.
Após obter essas estruturas 3D no computador, Serles usou uma impressora 3D para criar protótipos físicos validados experimentalmente. Esta tecnologia permite a impressão 3D em micro e nanoescala, criando nanorréticulas de carbono otimizadas que aumentaram em mais que o dobro a resistência dos projetos existentes.
“Esta é a primeira vez que se aplica o aprendizado de máquina para otimizar materiais nanoarquitetônicos, e os resultados foram surpreendentes”, diz Serles. “O algoritmo não apenas replicou com sucesso geometrias dos dados de treinamento, mas também aprendeu com as mudanças nas formas, prevendo novas geometrias”.
Filleter espera que esses novos projetos de materiais levem a componentes ultraleves em aplicações aeroespaciais, como aviões e naves espaciais, reduzindo as demandas de combustível e mantendo a segurança e o desempenho. “Em última análise, isso pode ajudar a reduzir a pegada de carbono dos voos”, afirma Filleter.
A equipe se concentrará em melhorar ainda mais a escalabilidade desses projetos para permitir componentes macroscópicos econômicos e explorar novos projetos que levem as arquiteturas de materiais a uma densidade ainda menor sem comprometer a resistência e rigidez.
