Zmapování budoucnosti metamateriálů

Metamateriály jsou uměle strukturované materiály s mimořádnými vlastnostmi, které se v přírodě jen těžko nacházejí. Díky navrženým trojrozměrným (3D) geometriím v mikro a nanoscale, tyto architektonické materiály dosahují jedinečných mechanických a fyzikálních vlastností s možnostmi, které přesahují možnosti konvenčních materiálů – a v posledním desetiletí se staly slibnou cestou k řešení inženýrských výzev, kde všechny ostatní existující materiály selhaly.

Architektonické materiály vykazují jedinečné mechanické a funkční vlastnosti, ale jejich plný potenciál zůstává nevyužitý kvůli problémům s designem, výrobou a charakterizací. Zlepšení a škálovatelnost v této oblasti by mohly pomoci transformovat celou řadu průmyslových odvětví, od biomedicínských implantátů, sportovního vybavení, automobilového a leteckého průmyslu až po energetiku a elektroniku.

„Pokroky ve škálovatelné výrobě, vysoce výkonném testování a optimalizaci designu řízené umělou inteligencí by mohly způsobit revoluci v mechanice a materiálových vědách, čímž by umožnily chytřejší a adaptivnější materiály, které předefinují inženýrství a každodenní technologie,“ říká Carlos Portela, profesor mechanického inženýrství na MIT.

V Perspektivě publikované tento měsíc v časopise Nature Materials, Portela a James Surjadi, postdoktorand mechanického inženýrství, diskutují o klíčových překážkách, příležitostech a budoucích aplikacích v oblasti mechanických metamateriálů. Článek nese název „Enabling three-dimensional architected materials across length scales and timescales.”

„Budoucnost této oblasti vyžaduje inovace ve výrobě těchto materiálů napříč délkovými měřítky, od nano po makro, a pokrok v jejich pochopení v různých časových měřítkách, od pomalé deformace po dynamický náraz,“ říká Portela a dodává, že to také vyžaduje interdisciplinární spolupráci.

„Perspective“ je recenzovaný typ obsahu, který časopis používá k vyvolání reflexe nebo diskuse o záležitostech, které mohou být spekulativní, kontroverzní nebo vysoce technické, a kde předmět nemusí splňovat kritéria pro recenzi.

„Měli jsme pocit, že naše oblast, po podstatném pokroku v posledním desetiletí, stále čelí dvěma úzkým místům: problémům s navýšením produkce a nedostatku znalostí nebo pochopení vlastností za dynamických podmínek,“ říká Portela o důvodech k napsání článku.

Článek Portely a Surjadiho shrnuje nejmodernější přístupy a zdůrazňuje existující mezery ve znalostech v oblasti návrhu, výroby a charakterizace materiálů. Navrhuje také plán na urychlení objevování architektonických materiálů s programovatelnými vlastnostmi prostřednictvím synergické kombinace vysoce výkonných experimentů a výpočetních úsilí, s cílem využít vznikající techniky umělé inteligence a strojového učení pro jejich návrh a optimalizaci.

„Vysoce výkonné miniaturizované experimenty, bezkontaktní charakterizace a metody pro extrémní podmínky na stole generují bohaté datové soubory pro implementaci datově řízených modelů, čímž se urychluje optimalizace a objevování metamateriálů s jedinečnými vlastnostmi,“ říká Surjadi.

Mottem Portela Lab je „architektonická mechanika a materiály napříč měřítky“. Perspektiva si klade za cíl překlenout propast mezi základním výzkumem a reálnými aplikacemi architektonických materiálů nové generace a představuje vizi, na které laboratoř pracuje již čtyři roky.