Un nuevo algoritmo de aprendizaje automático para explorar composiciones de vidrio livianas y muy rígidas puede ayudar a diseñar materiales de última generación para vehículos y turbinas eólicas más eficientes. Los vidrios pueden reforzar los polímeros para generar materiales compuestos que proporcionan resistencias similares a los metales pero con menos peso.
Liang Qi, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan, respondió preguntas sobre el nuevo trabajo de su grupo en npj Materiales computacionales .
¿Qué es la rigidez elástica? Elástico y el vidrio no parecen ser dos palabras que van juntas.
Todos los materiales sólidos, incluido el vidrio, tienen una propiedad llamada rigidez elástica, también conocida como módulo elástico. Es una medida de cuánta fuerza por unidad de área se necesita para hacer que el material se doble o estire. Si ese cambio es elástico, elel material puede recuperar totalmente su forma y tamaño originales una vez que detenga la fuerza.
¿Por qué queremos gafas ligeras y muy rígidas?
La rigidez elástica es crítica para cualquier material en aplicaciones estructurales. Una mayor rigidez significa que puede soportar la misma carga de fuerza con un material más delgado. Por ejemplo, el vidrio estructural en los parabrisas de automóviles, y en pantallas táctiles en teléfonos inteligentes y otras pantallas, puedehacerse más delgados y livianos si los vidrios son más rígidos. Los compuestos de fibra de vidrio son materiales livianos ampliamente utilizados para automóviles, camiones y turbinas eólicas, y podemos hacer que estas piezas sean aún más livianas.
De acuerdo con la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de los EE. UU., Los vehículos más livianos pueden ir más lejos con un galón de gasolina: 6-8% más para una reducción del peso del 10%, según la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de EE. UU..
Un vidrio más ligero y rígido puede permitir que las palas de la turbina eólica transfieran la energía eólica a la electricidad de manera más eficiente porque se desperdicia menos energía eólica para hacer girar las palas. También puede habilitar las palas de la turbina eólica más largas, lo que puede generar más electricidad bajo el mismovelocidad del viento.
¿Cuáles son los desafíos al tratar de diseñar gafas livianas pero resistentes?
Debido a que los anteojos son materiales amorfos o desordenados, es difícil predecir sus estructuras atomísticas y las propiedades físicas / químicas correspondientes. Utilizamos simulaciones por computadora para acelerar el estudio de los anteojos, pero requieren tanto tiempo de cómputo quees imposible investigar cada posible composición de vidrio.
El otro problema es que no tenemos suficientes datos sobre las composiciones de vidrio para que el aprendizaje automático sea efectivo en la predicción de las propiedades del vidrio para nuevas composiciones de vidrio. Los algoritmos de aprendizaje automático se alimentan de datos y encuentran patrones en los datos que les permitenhacer predicciones, pero sin suficientes datos de capacitación adecuados, sus predicciones no son confiables, al igual que una encuesta política realizada en Ohio no puede predecir las elecciones en Michigan.
¿Cómo superaste estas barreras?
Primero, utilizamos simulaciones de computadora de alto rendimiento existentes para generar datos sobre las densidades y rigidez elástica de varios anteojos. Segundo, desarrollamos el modelo de aprendizaje automático que es más adecuado para una pequeña cantidad de datos, porque todavía no lo hicimosNo tengo muchos datos según los estándares de aprendizaje automático. Lo diseñamos de modo que la clave a la que presta atención sea la fuerza de la interacción entre los átomos. En esencia, utilizamos la física para darle pistas sobre lo que era importante en los datos,y eso mejora la calidad de sus predicciones para nuevas composiciones.
¿Qué puede hacer tu modelo?
Mientras entrenamos nuestro modelo de aprendizaje automático con gafas hechas de dióxido de silicio y uno o dos aditivos más, descubrimos que podía predecir con precisión la ligereza y la rigidez elástica de las gafas más complejas, con más de 10 componentes diferentes.hasta 100,000 composiciones diferentes a la vez.
¿Cuáles son los próximos pasos?
La ligereza y la rigidez elástica son solo dos propiedades que son importantes en el diseño de gafas. También necesitamos conocer su resistencia, tenacidad y temperatura de fusión. Al compartir abiertamente nuestros datos y métodos, esperamos inspirar el desarrollo de nuevos modelos enla comunidad de investigación en vidrio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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