多伦多大学的研究人员开发出了一种新型纳米结构材料，将碳钢的强度与聚苯乙烯泡沫塑料的低密度相结合。该团队利用机器学习设计了优化的碳纳米晶格，这是一种由几百纳米大小的微小构造块组成的复杂 3D 结构。这项研究发表在《先进材料》杂志上。

从左到右：完整晶格几何图像与漂浮在气泡上的 1875 万个晶格并列。（图片来源：Peter Serles）

这些新材料是由多伦多大学和韩国科学技术院 (KAIST) 合作开发的。该团队采用了多目标贝叶斯优化算法来预测最佳几何形状，以提高强度重量比。研究人员使用双光子聚合 3D 打印机制作了原型以供实验验证。

优化后的纳米晶格比现有设计具有显著的性能改进。该材料每立方米每千克密度的抗应力能力达到 2.03 兆帕，比钛高出约五倍。这些结果是使用 400 个点的相对较小的数据集实现的，而通常需要 20,000 个或更多数据点。

潜在应用涉及多个行业，尤其​​是航空航天业。研究人员称，用这些材料替换飞机上的钛部件，每替换一公斤材料每年可节省 80 升燃料。燃料消耗的减少有助于减少航空旅行的碳足迹。

由托宾·菲莱特教授领导的研究团队目前正致力于扩大材料设计规模，以实现具有成本效益的宏观组件。他们继续探索新的设计，以保持高强度和刚度，同时进一步降低密度。该项目汇集了麻省理工学院、莱斯大学和卡尔斯鲁厄理工学院等多家机构的专业知识。