Des chercheurs canadiens ont révolutionné les matériaux nanométriques en alliant la robustesse de l’acier au carbone à la légèreté du polystyrène. Grâce à l’apprentissage machine, ils ont conçu des structures innovantes qui promettent de transformer plusieurs industries, notamment l’aéronautique, en réduisant l’empreinte écologique des transports.
Que s’est-il passé ? Des chercheurs de la Faculté des sciences appliquées et de l’ingénierie de l’Université de Toronto ont exploité la puissance de l’apprentissage machine pour créer des nanomatériaux alliant la solidité de l’acier au carbone à la légèreté du polystyrène. Ce développement pourrait avoir un impact significatif dans plusieurs secteurs, allant de l’automobile à l’aérospatial.
Dirigée par le professeur Tobin Filleter, l’équipe de recherche a conçu des nanomatériaux offrant une résistance, un poids et une personnalisabilité sans précédent. Ces matériaux sont constitués de minuscules blocs de construction, ou unités répétitives, d’à peine quelques centaines de nanomètres – si petits que plus de 100 alignés ne correspondraient guère à l’épaisseur d’un cheveu humain.
Les chercheurs ont utilisé un algorithme d’optimisation bayésienne multi-objectifs pour prédire les géométries optimales afin d’améliorer la distribution des contraintes et le rapport résistance/poids des conceptions nano-architecturées. L’algorithme n’a nécessité que 400 points de données, tandis que d’autres pourraient en demander 20 000 ou plus, permettant ainsi à l’équipe de travailler avec un ensemble de données plus restreint mais de haute qualité. L’équipe canadienne a collaboré avec le professeur Seunghwa Ryu et le doctorant Jinwook Yeo de l’Institut coréen des sciences et technologies avancées pour cette étape du processus.
Cette expérience constitue la première fois que des scientifiques appliquent l’apprentissage machine pour optimiser des matériaux nano-architecturés. Selon Peter Serles, l’auteur principal de l’article du projet publié dans Advanced Materials, l’équipe a été surprise des améliorations. Il ne s’est pas contenté de reproduire les géométries réussies issues des données d’entraînement ; il a appris quels changements dans les formes fonctionnaient et lesquels ne fonctionnaient pas, lui permettant de prédire de nouvelles géométries de réseau.
L’équipe a utilisé une imprimante 3D à polymérisation à deux photons pour créer des prototypes afin de valider expérimentativement, construisant des nanolattices en carbone optimisés à l’échelle micro et nano. Les nanolattices optimisés par l’équipe ont plus que doublé la résistance des designs existants, supportant une contrainte de 2,03 mégapascals pour chaque mètre cube par kilogramme de densité – environ cinq fois plus résistant que le titane.
Les applications potentielles de ces matériaux sont vastes. Le professeur Filleter envisage que l’industrie aérospatiale fabrique des composants ultralégers pour les avions, hélicoptères et vaisseaux spatiaux. Les chercheurs estiment qu’en remplaçant les composants en titane d’un aéronef par ce nouveau matériau, il serait possible d’économiser 80 litres de carburant par an pour chaque kilogramme de matériau remplacé, contribuant ainsi à réduire l’empreinte carbone élevée des vols.
Ce projet a réuni divers éléments de science des matériaux, apprentissage machine, chimie et mécanique, impliquant des collaborations avec des partenaires constructeurs internationaux de l’Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, du MIT et de l’Université Rice. La prochaine étape consiste à améliorer l’échelle de ces conceptions de matériaux. L’équipe prévoit également d’explorer de nouvelles matrices qui poussent les architectures de matériaux vers des densités encore plus faibles tout en maintenant une grande résistance et rigidité.