Phát hiện vật liệu siêu bền, nhẹ như xốp, cứng hơn Titan nhờ AI
Loại vật liệu này có độ bền vượt trội và trọng lượng siêu nhẹ.
Nhờ vào sự hỗ trợ của AI và thuật toán tối ưu Bayesian, các nhà nghiên cứu tại Đại học Toronto (Canada) đã khám phá ra một kết cấu vật liệu nano đột phá. Đây là thành tựu của nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tobin Filleter dẫn dắt, hợp tác với các chuyên gia từ Viện Khoa học Công nghệ Cao cấp Hàn Quốc (KAIST), Viện Công nghệ Karlsruhe (Đức), Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Rice (Mỹ).
Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng AI để mô phỏng và tối ưu hóa kết cấu nano, nhằm tìm ra thiết kế có khả năng phân bố áp lực tối ưu trên toàn bộ cấu trúc vật liệu, đồng thời đảm bảo tỷ lệ chịu lực trên trọng lượng đạt mức cao nhất. AI không chỉ học từ dữ liệu sẵn có mà còn có thể tự đưa ra những kết cấu vật liệu hoàn toàn mới chưa từng được con người thiết kế trước đó.
Vật liệu nano mới được chế tạo dựa trên nguyên lý kết cấu lưới carbon, có kích thước chỉ vài trăm nanomet. Đặc biệt, vật liệu này kết hợp độ bền của thép carbon với trọng lượng siêu nhẹ của xốp, giúp nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nhiều ngành công nghiệp.
Theo báo cáo được đăng trên tạp chí Advanced Materials, vật liệu mới có độ bền cao hơn titanium tới 5 lần. Cụ thể, ở mật độ 1 kg vật liệu, nó có thể chịu được lực căng lên tới 2,03 megapascal trên mỗi mét khối, một con số vượt trội so với những vật liệu nano carbon hiện tại.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ in 3D hai photon polymerization (2PP) để chế tạo các mẫu thử nghiệm. Kết quả cho thấy vật liệu này không chỉ có độ bền vượt trội mà còn có thể được sản xuất ở quy mô nano và micro, mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng lớn.
 |
| Vật liệu mới ra đời dưới sự hỗ trợ của AI. Ảnh minh họa |
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của vật liệu này là trong ngành hàng không. Giáo sư Filleter nhận định rằng việc thay thế các thành phần titanium bằng vật liệu nano mới có thể giúp giảm đáng kể trọng lượng của máy bay, trực thăng và tàu vũ trụ. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, mỗi kg vật liệu nano được sử dụng thay thế titanium có thể giúp tiết kiệm khoảng 80 lít nhiên liệu mỗi năm, một con số đáng kể đối với ngành hàng không vốn có mức tiêu thụ nhiên liệu khổng lồ.
Bên cạnh ngành hàng không, vật liệu này còn có tiềm năng ứng dụng trong chế tạo ô tô, công nghệ y sinh và thậm chí cả ngành xây dựng. Trong ngành công nghiệp ô tô, việc giảm trọng lượng xe có thể giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải carbon. Trong khi đó, trong lĩnh vực y sinh, vật liệu nano siêu nhẹ nhưng bền chắc này có thể được ứng dụng để chế tạo các bộ phận cấy ghép trong y học, giúp cải thiện tuổi thọ và hiệu suất của các thiết bị y tế.
Sự thành công của nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc sử dụng AI để hỗ trợ nghiên cứu vật liệu. Trước đây, việc phát triển vật liệu mới thường dựa vào các thử nghiệm tốn kém và kéo dài. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của AI, quá trình này có thể được rút ngắn đáng kể. Chỉ với 400 tham số, thuật toán tối ưu Bayesian đã có thể đưa ra dự đoán chính xác về các kết cấu vật liệu hiệu quả nhất, thay vì cần đến hàng chục nghìn tham số như những mô hình truyền thống.
Theo Peter Serles, trưởng nhóm nghiên cứu, một trong những điều ấn tượng nhất là AI không chỉ lặp lại các thiết kế cũ mà còn có thể tạo ra những kết cấu hoàn toàn mới, thậm chí vượt ngoài mong đợi của con người. Điều này cho thấy AI có thể đóng vai trò quan trọng trong các nghiên cứu khoa học tương lai, không chỉ trong lĩnh vực vật liệu mà còn trong nhiều ngành khác như y học, hóa học và kỹ thuật.
Dù đã đạt được những thành công ban đầu, nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm cách cải thiện quy mô sản xuất của vật liệu nano mới này. Một trong những mục tiêu tiếp theo là tìm ra cách giảm mật độ vật liệu xuống mức thấp hơn mà vẫn đảm bảo độ bền tối ưu. Ngoài ra, họ cũng đang nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu này trong các lĩnh vực khác, từ công nghệ quân sự cho đến các thiết bị tiêu dùng thông minh.
>> Bất ngờ một sản phẩm ‘Made in Vietnam’ được chọn xây dựng Tòa nhà Quốc hội Mỹ
