Vật liệu 'kỳ diệu' do AI thiết kế: Nhẹ như bọt, bền hơn cả thép

Theo Live Science, với những đặc tính đáng kinh ngạc, vật liệu này có thể được ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ và chế tạo phương tiện giao thông, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và hạn chế khí thải carbon.

Vật liệu mới này là sản phẩm của sự kết hợp giữa công nghệ AI và in 3D, tạo ra một cấu trúc nano tối ưu mà con người chưa từng thấy trước đây. Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện này trên tạp chí Advanced Materials vào ngày 23.1, đánh dấu một bước tiến lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu.

"Chúng tôi hy vọng rằng những thiết kế từ vật liệu mới này cuối cùng sẽ dẫn đến các thành phần siêu nhẹ trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, như máy bay, trực thăng và tàu vũ trụ, giúp giảm nhu cầu nhiên liệu mà vẫn đảm bảo an toàn và hiệu suất", Giáo sư Tobin Filleter tại Đại học Toronto (Canada), đồng tác giả nghiên cứu, nhận định.

Hình ảnh của vật liệu nano mới được nghiên cứu - Ảnh: Live Science

Khắc phục nhược điểm của vật liệu truyền thống

Vật liệu trong công nghiệp thường gặp phải một bài toán nan giải: độ bền và độ dẻo dai hiếm khi cân bằng. Một chiếc đĩa gốm, dù có thể chịu tải trọng lớn, lại rất dễ vỡ chỉ với một cú rơi nhẹ. Những vật liệu bền nhưng giòn như vậy luôn tiềm ẩn nguy cơ bị phá hủy đột ngột dưới tác động mạnh.

Với các vật liệu có kiến trúc nano – loại vật liệu được xây dựng từ những cấu trúc siêu nhỏ, có độ dày chỉ bằng 1/100 sợi tóc người – vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn. Cấu trúc nano giúp chúng đạt tỷ lệ bền-trọng lượng vượt trội, nhưng lại dễ bị tập trung ứng suất tại các điểm yếu, dẫn đến hiện tượng gãy đột ngột khi chịu lực lớn. Nhược điểm này đã cản trở việc áp dụng vật liệu nano vào các ngành công nghiệp quan trọng.

Nhận thức được thách thức này, Peter Serles - một nhà nghiên cứu kỹ thuật tại Caltech và là tác giả chính của nghiên cứu - đã nảy ra ý tưởng ứng dụng AI vào việc thiết kế vật liệu. "Tôi nhận ra rằng đây là một vấn đề hoàn hảo để máy học giải quyết", Serles chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống thuật toán máy học, mô phỏng hàng loạt hình dạng kiến trúc nano khác nhau để tìm ra cấu trúc tối ưu. Thuật toán này không chỉ học hỏi từ những thiết kế trước mà còn có khả năng dự đoán và sáng tạo ra các hình dạng mới giúp phân bổ ứng suất đồng đều hơn, hạn chế tối đa nguy cơ nứt gãy trong vật liệu.

Sau khi các thiết kế tiềm năng được tạo ra, nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ in 3D tiên tiến để chế tạo các mẫu thử nghiệm. Kết quả rất đáng kinh ngạc: loại vật liệu mới có thể chịu được ứng suất 2,03 megapascal cho mỗi mét khối trên mỗi ki lô gam, mạnh hơn gấp 5 lần so với titan.

Ứng dụng đột phá

Với đặc tính siêu bền và siêu nhẹ, vật liệu mới này có tiềm năng cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là hàng không và vũ trụ. Trọng lượng luôn là yếu tố quyết định trong thiết kế máy bay, trực thăng và tàu vũ trụ, vì mỗi ki lô gam giảm đi có thể tiết kiệm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ.

"Ví dụ, nếu bạn thay thế các thành phần làm bằng titan trên máy bay bằng vật liệu này, bạn sẽ thấy mức tiết kiệm nhiên liệu lên tới 80 lít mỗi năm cho mỗi ki lô gam vật liệu được thay thế", nhà nghiên cứu Serles cho biết.

Những con số này mang ý nghĩa to lớn đối với ngành hàng không, nơi áp lực giảm lượng khí thải carbon ngày càng gia tăng. Một chiếc máy bay thương mại có thể chứa hàng tấn vật liệu chế tạo, đồng nghĩa với việc áp dụng vật liệu mới này sẽ giúp tiết kiệm hàng trăm nghìn lít nhiên liệu mỗi năm và giảm đáng kể lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường.

Không chỉ giới hạn trong hàng không, loại vật liệu này còn có thể được sử dụng trong chế tạo ô tô, giúp giảm trọng lượng xe và nâng cao hiệu suất nhiên liệu. Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô đang chuyển dịch mạnh mẽ sang xe điện, vật liệu nhẹ nhưng bền như thế này có thể giúp xe điện tăng phạm vi hoạt động mà không cần mở rộng kích thước pin, giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của ngành.

Tiềm năng trong tương lai

Hiện tại, các nhà khoa học đang tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất vật liệu này, nhằm hướng đến việc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Họ cũng tiếp tục tối ưu hóa thiết kế bằng cách sử dụng AI để khám phá những hình dạng mạng tinh thể nano thậm chí còn ưu việt hơn.

Bằng cách kết hợp sức mạnh của trí tuệ nhân tạo và công nghệ in 3D, nghiên cứu này đã mở ra một hướng đi hoàn toàn mới trong khoa học vật liệu. Thay vì phải mất nhiều năm thử nghiệm và sai sót để tìm ra cấu trúc tối ưu, các nhà khoa học giờ đây có thể dựa vào thuật toán máy học để rút ngắn đáng kể thời gian nghiên cứu, đồng thời đạt được kết quả vượt xa những giới hạn trước đây.

"Đây là lần đầu tiên máy học được áp dụng để tối ưu hóa các vật liệu kiến trúc nano, và chúng tôi đã bị sốc trước những cải tiến này. Nó không chỉ sao chép những thiết kế thành công trước đây mà còn sáng tạo ra những cấu trúc hoàn toàn mới dựa trên dữ liệu học được", nhà khoa học Serles chia sẻ.

Với những bước tiến vượt bậc này, một tương lai nơi các phương tiện giao thông nhẹ hơn, bền hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn đang trở nên gần gũi hơn bao giờ hết. Nếu vật liệu này có thể được sản xuất trên quy mô lớn, nó sẽ không chỉ thay đổi ngành hàng không, vũ trụ mà còn mở ra những ứng dụng mới trong xây dựng, y học và hàng loạt lĩnh vực công nghệ khác.

Hoàng Vũ