Links de nanoroostergeometrieën na pyrolyse. Rechts zo’n structuur op een zeepbel (afb: Pter Serles/Advanced Materials)
Ach ja, en weer lijkt kunstmatige intelligentie nodig te zijn om een ‘nieuw’ materiaal te bedenken. Resultaat van dat denkwerk is een poreuze koolstofstructuur die gelijk sterk en licht is als piepschuim.
Is het nou zo dat onderzoekers steeds luier worden om na te denken. Steeds vaker wordt er in de wetenschap (maar ook daarbuiten) de hulp van ki-systemen ingeroepen en als je daar eenmaal aan begint, kun je op een gegeven moment niet meer zonder. Kijk maar naar de computer, de (mobiele) telefoon en de auto.
Vervelende bijwerking daarvan is een grote behoefte aan grondstoffen en vooral energie. Hoe rijmen we dat met onze klimaatdoelen of gaan we die ‘oplossen’ met enge ideeën als kenrenergie en zonneparaplu’s of anderszins bedenkelijke en gevaarlijke technieken.
Genoeg gezeurd. Ik laat nu aan de ‘machteloze’ onderzoeker Tobin Filleter van de universiteit van Toronto het toneel over de door het ki-systeem bedachte structuur. “Met nanomaterialen kun je een hoge sterkte/gewicht- en stijfheid/gewichtverhouding bereiken”, zegt Filleters collega en hoofdauteur Peter Serles.
“De standaard roostervormen en geometrieën die worden gebruikt, hebben echter vaak scherpe snijpunten en hoeken, wat leidt tot spanningen (in het materiaal; as). Dat resulteert al snel tot breuken, waardoor hun mogelijkheden beperkt zijn. Toen ik daarover nadacht, besefte ik dat het een perfect probleem is voor een zelflerend ki-systeem om aan te pakken.”
Nano-architecturele materialen zijn gemaakt van kleine bouwstenen van een paar honderd nanometer (1 nm is eenmiljoenste mm) groot. Er zouden er meer dan 100 op een rij nodig zijn om de dikte van een mensenhaar te bereiken. Deze bouwstenen, die in dit geval zijn samengesteld uit koolstof, zijn gerangschikt in complexe 3D-structuren die nanoroosters (naar analogie van kristalroosters) worden genoemd.
Voor hun onderzoek werkten Filleter en Serles onder meer samen met wetenschappers van het Koreaanse KAIST voor het ki-gedeelte. Die gebruikten een geoptimaliseerd ki-algoritme dat leerde om de beste van de gesimuleerde geometrieën er uit te pikken, waar het aankwam op spanningsverdeling en het verbeteren van de sterkte en stijfte van het poreuze nanomateriaal van koolstof.
Vervolgens ging Serles met de tweefotonprinter aan de slag om van de favoriete structuren van het ki-systeem prototypes van de koolstofnanoroosters te maken. Resultaat: de door het ki-systeem voorgestelde nanostructuren bleken dubbel zo sterk als bestaande structuren en vijf keer sterker dan titaan.
Verbaasd
Serles: “Dat voor het eerst dat ki is toegepast om om nano-architectonische materialen te optimaliseren, en we waren verbaasd over de verbeteringen.” Het wijsgeworden systeem had niet alleen zeer bruikbare structuren ‘bedacht’, maar had ook geleerd welke veranderingen aan de vormen welk effect hadden op stijfheid en sterkte.
“Machineleren is normaal gesproken erg data-intensief en het is moeilijk om veel gegevens te genereren als je hoogwaardige data uit eindige-elementenanalyse gebruikt, maar het multi-objectieve Bayesiaanse optimalisatiealgoritme had slechts 400 datapunten nodig, terwijl andere algoritmen er 20 000 of meer nodig zouden kunnen hebben. Dus konden we werken met een veel kleinere maar extreem hoogwaardige set gegevens.” Dat, neem ik(=as) aan, maakt dit ki-systeem veel minder energievretend dan anders.
Hij hoopt dat de vinding zijn toepassing vindt in lucht- en ruimtevaart voor de broodnodige gewichtsvermindering. “Dit kan uiteindelijk helpen de hoge CO2-voetafdruk van vliegen te verkleinen”, zegt Serles. “Als je bijvoorbeeld componenten van titaan in een vliegtuig zou vervangen door dit materiaal, zou je kijken naar een brandstofbesparing van 80 liter per jaar voor elke kilo materiaal die je vervangt.” Jawel, dat kan, maar liever toch maar niet vliegen. Dat is nog een stuk lichter.
Bron: Science Daily