Материалы в дизайне: 8 инновационных материалов — INMYROOM

8 инновационных материалов — INMYROOM

Декор интерьера

Сегодня дизайн может похвастаться не только функциональными решениями, но и настоящими произведениями искусства. Хорошая новость – у вас есть возможность «поселить» их у себя дома

В поисках новых форм, цветов, фактур дизайнеры находят поистине необычные решения, которые нас приводят в восторг, вызывают удивление, а иногда вводят в ступор. Мы порой даже не догадываемся, что тот или иной материал может превратиться в футуристичный столик или оригинальный светильник. Но как же хорошо, что на свете есть настоящие экспериментаторы – они дают нам шанс прикоснуться к искусству и новым технологиям.

1. Углеродное волокно

В интерьерный и предметный дизайн этот материал пришел из авиационной и автомобильной индустрии. Ультралегкий, супержесткий и мегапрочный – такой набор технических характеристик дал дизайнерам новые возможности. А вместе с высоким сопротивлением к термическим и климатическим воздействиям материал открыл новую эру инновационных решений.

Один из самых успешных проектов из углеродного волокна – стул Carbon Chair Бертьяна Пота и Марселя Вандерса. Спинка и сиденье сплетены вручную, а каркас выполнен их эпоксидной смолы. Винтовые лестницы от Эндрю МакКоннелла и студии Disguincio & Co – еще одна свежая концептуальная идея из углеродного волокна. И кто сказал, что лестница – это лишь функциональный элемент в доме. Мы готовы созерцать необычное произведение и удивляться безграничной фантазии дизайнера.

2. Метакрил

В начале тысячелетия материл начал завоевывать позиции в мире дизайна. И неспроста, ведь такая разновидность пластика обладает большими возможностями механической обработки. Кроме того, она может быть выполнена практически в любой цветовой гамме.

Настоящим прорывом в 2006 году стали канделябры Maua Huni от Sawaya & Moroni. Они вобрали в себя черты исторических стилей, но при этом выглядят ультрасовременно. Самое удивительное в них то, что в темноте прогрессивный материал на срезе светится. И встроенные лампочки здесь абсолютно не нужны! Огонь горящей свечи и манящая приглушенная подсветка неоновых цветов – превосходный двойной эффект для создания волшебной атмосферы в любом помещении.

3. Плексиглас

Плексиглас (еще его называют прозрачным акриловым стеклом) изначально использовали в строительстве, но дизайнеры не могли не заинтересоваться таким необычным материалом. Он стал хрестоматийным образцом для «космического» дизайна в 60-х годах. Тогда миру были представлены первые невидимые стулья, светильник Acrilica. 

Сегодня традиции, пусть и неведомые каждому, продолжают свое развитие. Чего только стоит прототип «жидкого» стола Захи Хадид. Он изготовлен из прозрачного и полупрозрачного акрилового стекла. Первое впечатление обманчиво, поэтому стоит присмотреться лучше – столешница идеально ровная. Беспрецедентная визуальная легкость, имитация таяния льда и зачаровывающий круговорот воды настолько реалистичен, что мыслями переносишься в невиданный таинственный мир.

4. Полимер Cocoon

Он был создан вовсе не для дизайнерских задумок, а использовался в строительстве как изоляционный материал. Но ведь у фантазии дизайнеров нет границ! В результате в 60-е годы ХХ столетия марка Flos по дизайну Акилле и Пьерджакомо Кастильони выпустила светильники Taraxacum – это был первый творческий опыт с полимером Cocoon. 

В 2005 году Марсель Вандерс использовал эту же технологию и создал безупречную и совершенно неземную люстру Zeppelin, один вид которой завораживает. Благодаря необычной форме и материалу создается впечатление, что каркас изделия окутан несколькими слоями паутины – и чем не объект для внимания в вашей гостиной?

5. Алькантара

Практичность и повышенная прочность в дизайне мебели? Пожалуй, пришла пора вспомнить про такой обивочный материал, как алькантара. Изобрел его японский химик Миуси Окамото в 1970 году. После этого над выпуском алькантара трудились итальянцы, немцы. Дизайнеры по достоинству оценили все его преимущества: внешне похож на замшу, но при этом гораздо прочнее, не боится грязи, легко моется и не выгорает на солнце. Единственный минус – высокая стоимость материала. 

Одним из самых запоминающихся проектов стало футуристическое кресло Peekaboo от шведской компании Blå Station. На него нельзя не обратить внимания: металлическая основа, полиуретановый наполнитель, отделка алькантарой, а также специальная ширма, прикрепленная к спинке. Для того, кто любит поразмыслить в одиночку или помедитировать, такое кресло станет настоящей находкой.

6. Laokoon 

Инновационный текстиль, обладающий эстетикой фэшн-структурализма, – все это о необычном, ультрасовременном материале Laokoon. Одноименный венгерский бренд во главе с дизайнером Сентирмаи-Жоли Жужанном сделали по-настоящему удивительное изобретение. Laokoon – полотно из подвижных небольших пластин, изготовленных из пробки или пластмассы. В зависимости от плотности и конфигурации всех элементов его можно по-разному сгибать и регулировать степень прозрачности изделия. 

Создать необычную поверхность с ним проще простого: эффект змеиной кожи, морской глади, а может, оперения птицы – все, что только пожелаете. Компания использовала инновационный материал для четырех серий светильников. В коллекцию вошла пара настольных ламп Baabel и Medusa со стеклянными основаниями, дизайнерская импровизация светильника Ensoo и очаровательная вариация под названием Drop.

7. Синтетические смолы

Синтетическим материалам тоже нашлось место в высокой моде дизайна. Дизайнер Гаэтано Пеше нашел им альтернативное применение – в итоге на свет появился стол Tavolone. Для создания к нему столешницы мастер залил в форму смолы разных цветов, где они смогли по-разному растекаться и перемешиваться между собой. Приглядитесь к столу – он способен в корне изменить ваши представления об индивидуальности. 

Еще одним прекрасным экспериментом с синтетическими смолами стал продукт итальянской студии Cedr/Martini. Творческий союз дизайнеров Renzo Martini и Andrea Cedri позволил создать скульптурный стол Pangea. Он напоминает необычное природное явления – сталактитовые наросты. Органическая форма в тандеме со сложной футуристической конфигурацией сделали свое дело – нам остается только восхищаться работой настоящих мастеров.

8. Corian

В лаборатории DuPont в 70-х годах ХХ столетия Дональд Смокум получил весьма необычный материал – Corian. Он славится своей долговечностью, прочностью, огромной цветовой гаммой, возможностью создавать бесшовные поверхности – и это еще не все его плюсы. Не зря такие титаны в мире дизайна, как Заха Хадид и Рон Арад, любят с ним работать и экспериментировать. Журнальный стол, раковина, а может, «космическая» ультрасовременная кухня – Corian делает вещи уникальными и обрекает своих обладателей на их долгое пользование.

Современные материалы | Дизайн Vid

Современные материалы в дизайне интерьера. Даже самая неприметная геометрия интерьера может стать выразительной, используя при отделке в архитектуре и дизайне соответствующих современных строительных материалов. В данной рубрике мы публикуем информацию об интересных способах отделки стен и потолков, которые нам показались заслуживающими внимания, но еще не получившие широкое распространение на рынке строительных услуг.  На сегодняшний день все сферы и отрасли строительства развиваются с огромной скоростью. Разрабатываются все новые строительные материалы в интерьере, которые приходят на смену устаревшим. Они неприхотливы в эксплуатации, имеют более эстетичный дизайна и в чем-то новаторские. Однако существуют и такие новые современные строительные материалы, которые уже успели завоевать место среди строительных материалов. Рассмотрим несколько ярких примеров современных материалов. Разберем, в чем же преимущество современные материалы в дизайне интерьера и чем они так приковывают внимание профессионалов сфере строительства и ремонта?{jcomments off}

Просмотров: 71757

Для внутренней отделки дома или квартиры предоставлено такое огромное количество современных материалов, что порой выбор сделать очень трудно, для этого мы постарались подготовить обзор самых популярных из них с целью разобраться и помочь подобрать стильные и современные материалы. Все эти материалы отличаются своей ценовой политикой, различными свойствами и делает возможным удовлетворить потребности любого человека – от эконом вариантов до дорогостоящих авторских изделий. Иногда, качество недорогих современных материалов не уступает дорогим аналогам. Но обо всех нюансах по порядку. Видов современных отделочных материалов для оформления интерьера множество. Рассмотрим лишь некоторые популярные образцы, пользующиеся большим спросом на рынке строительных материалов.

3D панели для стен

Линкруст

Декоративный кирпич в интерьере

Эпоксидная смола

Светящаяся краска в темноте

Кожа в интерьере

Декоративная штукатурка в интерьере

Зеркала в интерьере

Виниловая плитка в интерьере

Мобильные перегородки

Натуральные материалы в интерьере

Мебель из акрилового камня

Молдинги в интерьере

Декоративный мох

Современные обои в интерьере

Витражи в интерьере

Деревянный кирпич

Ламинат в интерьере

Керамическая плитка в интерьере

Художественный ковка в интерьере

Стеклянный пол

Материалы для лестниц

Фактурная краска в интерьере

Подвесные потолки фото

Натяжные потолки в интерьере

Дизайн интерьера

Популярные темы

Materials in Design

Современная керамика обладает сильными физическими, химическими и электрическими свойствами, которые делают ее очень устойчивой к плавлению, изгибу, растяжению, коррозии, износу, воздействию высоких напряжений и токов. Это открыло возможности развития для производителей в самых разных отраслях, от транспорта до здравоохранения, электроники, научного оборудования и обработки полупроводников.

Усовершенствованная керамика, такая как оксид алюминия, нитрид алюминия, диоксид циркония, карбид кремния, нитрид кремния и материалы на основе диоксида титана, каждый со своими специфическими характеристиками, представляет собой экономичную высокоэффективную альтернативу традиционным материалам, таким как металлы, пластмассы и стекло. . Спрос, предъявляемый новыми и меняющимися приложениями, заключается в улучшении работы при снижении затрат. Новые материалы постоянно разрабатываются и разрабатываются для удовлетворения потребностей отдельных приложений.

Существует множество факторов, которые проектировщики должны учитывать при выборе материала, включая желаемые свойства для применения и доступные материалы. Полностью понимая материалы, дизайнеры могут сделать обоснованный выбор. В частности, когда речь идет о форме, конструкции и применении детали, на ранних стадиях ее проектирования необходимо учитывать множество факторов. Форма керамических деталей часто конструируется аналогично металлическим деталям. Однако это может отрицательно сказаться как на стоимости, так и на свойствах деталей.

Соединение керамики с металлами также создает свои инженерные проблемы, требующие специальных знаний. Morgan Advanced Materials — мировой лидер в области металлизации и соединения керамики. Инженеры компании работали с клиентами по всему миру, чтобы предоставить высокоинтегрированные решения для компонентов всех размеров, форм и спецификаций.

Желаемые свойства для применения

При выборе материала учитываются такие физические свойства, как прочность, твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и термическая стабильность. Каждая из этих характеристик определяется конкретными материалами; Разбивку материалов и их характеристики см. на рис. 1. Дизайнеры ищут те материалы, которые дают наилучшее сочетание характеристик для отличной работы.

Материалы

Определив свойства материала, необходимые для конкретного применения, дизайнеры должны затем рассмотреть различные доступные им керамические материалы. Ряд доступных керамических материалов оптимизирован по своим механическим, электрическим, термическим и/или химическим свойствам. Примеры подробно описаны ниже:

Глинозем

Глинозем представляет собой универсальный материал, сочетающий в себе хорошие механические и электрические свойства. Он подходит для широкого спектра применений, включая лазерные устройства, рентгеновские трубки, электронные трубки, аэрокосмические устройства, системы высокого вакуума, расходомеры, датчики давления и изнашиваемые компоненты. Обладает хорошей прочностью и жесткостью, хорошей твердостью и износостойкостью. Глинозем доступен во многих сортах в диапазоне от 60% до 99,9% с добавками, предназначенными для улучшения таких свойств, как износостойкость или диэлектрическая прочность. Он может быть сформирован с использованием различных методов обработки керамики и может быть обработан в виде сетки или обработан для получения различных размеров и форм. Кроме того, его можно легко соединить с металлами или другой керамикой, используя специально разработанные методы металлизации и пайки.

Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия (AlN) обладает превосходной теплопроводностью. Другие свойства включают превосходную стойкость к тепловому удару и коррозионную стойкость. Благодаря этим свойствам AlN используется в силовой электронике, авиационных системах, железных дорогах, оптоэлектронике, обработке полупроводников, микроволновых и военных устройствах. Типичные области применения включают нагреватели, окна, ИС-пакеты и радиаторы.

Цирконий

Цирконий обеспечивает химическую и коррозионную стойкость при высоких температурах до 2400°C – намного выше точки плавления оксида алюминия. В чистом виде изменения кристаллической структуры ограничивают использование в механических/температурных применениях, но диоксид циркония, стабилизированный добавками оксида кальция, магния или иттрия, может давать материалы с очень высокой прочностью, твердостью и, в частности, ударной вязкостью. Morgan является пионером в этой области технологии материалов, производя частично стабилизированный магнезией цирконий (Mg-PSZ) и тетрагональный поликристаллический цирконий иттрия (Y-TZP). Они принадлежат к группе диоксидов циркония с очень высокой прочностью и ударной вязкостью, которые используют явление «трансформационного упрочнения», уникальное для этого материала. Они подходят для инженерных или структурных применений, где требуется исключительная механическая прочность и такие свойства, как твердость, износостойкость и коррозионная стойкость. 3Y-TZP — аналогичный продукт, используемый в основном для медицинских имплантатов.

Тем временем способность изделий из диоксида циркония выдерживать высокие температуры привела к разработке марок полностью стабилизированного диоксида циркония (FSZ) для тиглей, сопел и других компонентов для работы с расплавленным металлом.

Нитрид кремния

Нитрид кремния обладает отличной жаропрочностью, стойкостью к ползучести и окислению, а его низкий коэффициент теплового расширения обеспечивает хорошую устойчивость к тепловому удару по сравнению с большинством других керамических материалов. Он обладает высокой вязкостью разрушения, твердостью, химической стойкостью и износостойкостью и производится в трех основных типах продуктов: реакционно-связанный нитрид кремния (RBSN), нитрид кремния горячего прессования (HPSN) и спеченный нитрид кремния (SSN). RBSN дает продукт с относительно низкой плотностью по сравнению с нитридными типами HPSN и SSNM, благодаря этой особенности материалы HPSN и SSN подходят для более требовательных приложений. Типичные области применения: шариковые и роликовые подшипники, режущие инструменты, клапаны, роторы турбокомпрессоров для двигателей, свечи накаливания, работа с расплавленным цветным металлом, кожухи термопар, сварочные приспособления и приспособления, а также сварочные сопла.

Карбид кремния

Карбид кремния представляет собой высокоизносостойкий материал с хорошими механическими свойствами, включая жаропрочность и термостойкость до 1650°C. Он имеет низкую плотность, высокую твердость и износостойкость, а также отличную химическую стойкость. Его характеристики означают, что этот материал идеально подходит для таких применений, как неподвижные и подвижные компоненты турбин, уплотнения, подшипники, детали шаровых кранов и оборудование для обработки полупроводниковых пластин. Другие специальные области применения включают балки и профилированные опоры, ролики, трубы, войлочные плиты и пластины, а также защитные кожухи термопар.

Форма компонентов

Выбрав материал, первым шагом является рассмотрение формы конечного инженерного компонента. Существуют определенные формы, которые вызывают слабые места в компоненте. Таким образом, при проектировании и производстве изделий из керамики с целью получения высокопроизводительных, надежных и прочных деталей лучше сохранять простую форму. Например, избегайте острых краев и углов, а также резких изменений поперечного сечения.

Металлизация/пайка

Для многих применений часто необходимо соединить керамику с металлом для создания готовой детали. Соединение керамики и металла является одной из самых больших проблем, с которыми сталкиваются производители и пользователи из-за присущих им различий в коэффициентах теплового расширения двух типов материалов. Доступны различные методы, включая механическое крепление, сварку трением и клеевое соединение, но на сегодняшний день наиболее широко используемым и эффективным методом создания герметичного и прочного соединения керамики и металла является пайка. Это начинается с химического связывания слоя металлизации на керамике для создания смачиваемой поверхности, по которой припой будет течь между двумя компонентами в процессе пайки.

Для достижения максимальной прочности соединения керамические детали обычно металлизируют марганцево-молибденовым покрытием (MoMn), а затем покрывают никелем (Ni). После этого они готовы к пайке и, как правило, собираются из металлов, обладающих такими же свойствами расширения, как и керамика.

Morgan Advanced Materials производит припои WESGO и поставляет припои высокой чистоты с низким давлением паров, включая присадочные материалы из драгоценных металлов, припои из недрагоценных металлов и активные припои. Драгоценные твердые припои получают из материалов на основе золота, серебра, платины и палладия и превосходят самые строгие требования, предъявляемые к силовым лампам, аэрокосмической, полупроводниковой, медицинской, электронной и вакуумной промышленности, в которых они используются. Присадочные материалы из неблагородных сплавов идеально подходят для таких применений, как оснастка для горнодобывающего оборудования и оборудования тяжелой промышленности. Они подходят для пайки при температуре от 500°C до 1200°C. Активные припои обеспечивают одноэтапный подход к соединению керамики с металлами, исключая необходимость предварительной металлизации керамической поверхности, поскольку активные компоненты способствуют смачиванию. Поскольку это можно сделать за один шаг, оно заменяет металлизацию, обжиг и гальваническое покрытие и обеспечивает экономию времени и средств.

Сборки с совместным обжигом

Для специальных применений, таких как расходомеры, металлический ввод может быть изготовлен путем помещения проволоки в керамику на стадии предварительного спекания (незапеченной). Поскольку керамика сжимается в процессе спекания, она сдавливает металл и образует газонепроницаемое уплотнение. Это требует отличного знания и контроля температуры цикла спекания, а также тщательного выбора металла.

Покрытие и глазурь

Шероховатость конечного продукта зависит от размера зерна. Если размер зерна большой, то изделие будет иметь шероховатую поверхность и после шлифовки могут образоваться каверны. Для достижения отличной чистоты поверхности детали могут быть покрыты глазурью. Это важно, если детали должны подвергаться воздействию пыли или загрязнений. В этом случае глянцевую поверхность можно легко очистить, чтобы избежать протечек и перекрытий.

Передовое решение

Подводя итог, можно сказать, что материал, из которого изготовлены компоненты, определяется многими факторами. Наиболее важно учитывать требования к применению и производительности, основанные на тепловых, механических, электрических и химических свойствах. Твердость керамических материалов, физическая стабильность, экстремальная термостойкость, химическая инертность, биосовместимость, превосходные электрические свойства и, не в последнюю очередь, их пригодность для использования в продуктах массового производства делают их одной из самых универсальных групп материалов в мире.

Поскольку приложения предъявляют все более высокие требования к одному или любой комбинации этих свойств, керамика становится не только предпочтительным материалом, но во многих случаях и единственным жизнеспособным вариантом с точки зрения материалов, которые могут выжить в экстремальных условиях применения.

Усовершенствованная керамика удовлетворяет потребности в критически важных компонентах с более высокими характеристиками в самых разных областях применения. Благодаря подробному пониманию методов соединения керамики и металла, таких как процесс металлизации, и преимуществ остекления и покрытия, дизайнеры и производители получают возможность разрабатывать все более сложные компоненты.

Рубрики: Материалы • продвинутые

Материалы по дизайну | НИСТ

Создание инноваций с помощью инициативы Materials Genome

22 мая 2019 г.

«Если бы я сказал вам ингредиенты для суфле и сказал, идите и приготовьте его, у вас были бы проблемы, если бы я не сказал вам как, — говорит Джим Уоррен, созерцая четыре образца металла, разложенные на его столе.

Между образцами не так много видимых различий, отмечает Уоррен. Но то, как они будут работать с течением времени, может сильно различаться. Два его образца представляют собой стали, которые имеют одинаковый состав или «ингредиенты», но по-разному охлаждались во время производства.

«Материаловедение — это буквально то же самое, что и приготовление суфле», — добавляет Уоррен. «Не метафора, а то же самое. Когда я делаю материал, важен не только его состав, процесс и способ его изготовления определяют его свойства. Потому что суфле — это материал».

Сидя и разговаривая с Уорреном вот так, легко понять, почему его часто спрашивают о The Great British Bake Off , хотя он и не повар. Судя по его описанию, изобретение новых материалов очень похоже на популярное телевизионное шоу, где участникам дают различные ингредиенты и просят приготовить незнакомую выпечку с минимальными инструкциями. Что часто отличает победителя от проигравшего на шоу, так это знание того, как ингредиенты будут работать в различных условиях.

Аналогичным образом, то, что часто отделяет изобретение успешного нового материала от неудачи, — это знание того, как будут вести себя ингредиенты при различной обработке. Соедините и сварите яйца и молоко одним способом, и вы получите суфле. Соедините их другим способом, и вы получите яичницу-болтунью. Охладите или «закалите» сталь одним способом, и вы получите что-то прочное. Закалите его другим способом, и вы получите что-то очень хрупкое и слабое.

Безусловно, приготовление пищи на кухне намного дешевле и (обычно) не так рискованно, как разработка чего-то вроде новой и улучшенной стали. Но это сравнение делает работу, которую Уоррен курирует в NIST и которая называется «Инициатива генома материалов» (MGI), легко понять и понять. Шеф-повар со временем учится готовить сложное суфле. Ученый со временем узнает, как сделать сложный материал.

Кредит: Н. Ханачек/NIST

Каждая «вещь» состоит из материалов — дороги, двигатели и медицинские приборы, и это лишь несколько примеров. На протяжении столетий изобретение и разработка новых материалов для промышленного применения требовали много времени и огромного количества проб и ошибок. Этот процесс также включал в себя тщательное и кропотливое ведение записей. Все это может сделать разработку новых материалов дорогой и медленной.

Ускорение процесса могло бы сэкономить время и деньги и стимулировать большое количество инноваций во многих секторах экономики, говорит Уоррен.

«Смысл MGI в том, чтобы сделать его точным, быстрым и интегрированным, чтобы вы могли делать прогнозы и проектировать материалы с желаемыми свойствами», — добавляет Уоррен.

MGI была запущена в 2011 году как межведомственная инициатива, при этом NIST играет ведущую роль в программе, помогая создавать политику, ресурсы и инфраструктуру, которые будут поддерживать учреждения США в их работе по обнаружению, производству и внедрению передовых материалов. быстро за меньшую стоимость.

Общая идея заключалась в том, чтобы объединить лучшее из вычислительной техники, включая искусственный интеллект и машинное обучение, с лучшими идеями, доступными в мире материаловедения, чтобы сократить время разработки новых продуктов и сделать США более конкурентоспособными в производстве в самых высоких -спрос, развивающиеся рынки технологий. MGI в первую очередь признала, что разработка передовых материалов будет иметь решающее значение для решения задач в области энергетики, суперкомпьютеров, национальной безопасности и здравоохранения.

В начале, когда MGI была впервые создана, прогресс был медленным, поскольку ее создатели создавали свою инфраструктуру информационных технологий. Сначала должны были быть способы сбора информации о материалах, а затем ее хранения и обработки. Вычислительная мощность должна была удовлетворить потребности новаторов.

Одна из ранних историй успеха MGI возникла в мире металлургии, когда Монетный двор США попросил ученых NIST поработать над новой формулой для национальной пятицентовой монеты. Учитывая растущий мировой спрос на никель в качестве легирующего элемента, изготовление никелевых монет становилось дорогостоящим делом, при этом производство каждой монеты стоило целых 7 центов.

При разработке новой монеты правительственные учреждения США, такие как NIST, используют «фиктивный» отпечаток, чтобы не нарушать правила борьбы с подделкой. Здесь Марта Вашингтон в мафиозной кепке заменяет Томаса Джефферсона.

Кредит: К. Ирвин/NIST

«На самом деле это была история работы в обратном направлении, — говорит Карелин Кэмпбелл, руководитель группы, работавшей над изменением рецептуры никеля. Вместо того, чтобы начинать с материала и разрабатывать продукт с учетом ограничений этого материала, исследователи начали со списка потребностей Монетного двора и разработали материал для удовлетворения потребностей продукта. Все, что они делали, должно было работать с использованием существующего оборудования, принадлежащего Министерству финансов.

Чтобы сделать новый никель, NIST использовал доступную в настоящее время инфраструктуру MGI (которая включает в себя некоторые экспериментальные данные и множество передовых, относительно новых вычислительных инструментов) для разработки другого класса материалов для монет всего за 18 месяцев — значительно меньше, чем три месяца. — к пятилетнему сроку, обычно требуемому для таких материалов. Затем команда предоставила данные для разработки инфраструктуры инновационных материалов, упрощая разработку новых материалов для монет в будущем.

«Одна из главных целей MGI — сделать данные о материалах более доступными и пригодными для повторного использования, — говорит Кэмпбелл. «Я считаю, что это первые материалы для чеканки монет, разработанные компьютером».

Монеты и никелевые сплавы знакомы, но MGI также создан для поощрения фундаментальных исследований, необходимых для новых и новаторских материалов, таких как графен, который был открыт в 2004 году с использованием скотча и куска того же скромного материала, из которого делают карандаши. точки: графит.

Графен иногда называют первым в мире двумерным материалом. Хотя его толщина составляет всего один атом, он невероятно прочен и имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Он также может проводить электричество и является прозрачным. Все эти характеристики делают материал невероятно перспективным для улучшения электронных устройств, освещения, солнечных батарей и аккумуляторов.

Но прежде чем с помощью этого чудесного материала можно будет выполнять какую-либо крупномасштабную прикладную работу, необходимо собрать основную информацию. На самом деле никто не знает, как лучше всего обращаться с графеном и транспортировать его, а стандартов для его производства не существует. Также неясно, как могут измениться его свойства после воздействия высоких температур.

В янв0116 АКС Нано . Смоделировав расплав графеновых листов, они обнаружили, что при нагревании выше 1600 К (примерно 1327°С или 2420°F) материал переходит в вязкое жидкое состояние, при этом сами листы сминаются, как бумага, а графен разрушается. становятся «пенистыми» при охлаждении до стеклообразного состояния. Эти качества делают его отличным смазочным материалом при высоких температурах и возможным фильтрующим материалом при комнатной температуре. Материал также может оказаться мощным средством пожаротушения.

Эта компьютерная модель показывает, что происходит, когда вы расплавляете листы графена в жидкости, а затем замораживаете эту жидкость. Листы расплавленного графена мнутся, как бумага, и превращаются в пенообразную субстанцию. Этот вспененный материал потенциально полезен в качестве фильтров и датчиков (если вы нанесете на них покрытие) и изоляторов (поскольку отверстия не проводят много тепла). Каждый лист окрашен по-разному, чтобы облегчить визуализацию.

Кредит: Ся-Вэньцзе, Ризван Кахраман/Университет штата Северная Дакота

Эта информация может оказаться чрезвычайно полезной для других людей во всем мире, которые хотят использовать графен в производстве. MGI использует искусственный интеллект (ИИ), чтобы помочь исследователям найти приложения, использующие новые свойства этих материалов.

Хотя многие люди думают об искусственном интеллекте как о силе роботов-пылесосов и других предметов домашнего обихода, искусственный интеллект в широком смысле относится ко всему, что делают машины и когда-то выполняли только люди. Машинное обучение, которое является подмножеством ИИ, представляет собой процесс, который ищет шаблоны в наборах данных и использует эти шаблоны для прогнозирования или классификации того, что важно, а что нет. Обучение происходит, когда вычислительный подход улучшается путем проб и ошибок.

Когда-то это казалось научной фантастикой, но в последнее время машинное обучение превратилось в обширную область реальных исследований, поскольку исследователи научились лучше понимать, как правильно применять ИИ для решения реальных проблем.

 «Когда вы хотите спроектировать материал, у вас есть много вариантов», — объясняет Бегум Гулсой, заместитель директора Центра иерархического дизайна материалов (CHiMaD), спонсируемого NIST чикагского центра передового опыта для передовые исследования материалов, созданные в 2014 году. «Это похоже на попытку найти микроскопическую точку в большой коробке. То, что вы пытаетесь сделать, это сделать обоснованные предположения, которые приблизят вас к ответу, поэтому поиск станет намного меньше. ИИ и машинное обучение могут направлять процесс проектирования таким образом, чтобы приблизить нас к искомым точкам. Как только мы поэкспериментируем, мы действительно сможем работать с гораздо большей точностью, чем в противном случае».

CHiMaD объединяет широкий круг промышленных партнеров и консультантов, чтобы сосредоточиться на целях MGI, включая компании, работающие в области проектирования конструкций, полупроводников, программного обеспечения и ИТ-услуг, химического машиностроения и даже производства конфет. Центр особенно заинтересован в обмене опытом и обучении студентов принципам проектирования материалов и MGI, которые они впоследствии могут использовать в промышленных или академических условиях. На сегодняшний день центр работал с более чем 300 студентами, аспирантами, исследователями и специалистами с докторской степенью, обучая их ценности изучения новых материалов и обмена тем, что они узнали, с другими в государственном и частном секторах для продвижения всего. поле материалов будущего.

«Многие компании видят ценность в возможности проектирования материалов, что говорит вам о применимости MGI к различным концепциям и промышленным условиям», — говорит Галсой. «Все сводится к тому, чтобы точно определить, каковы ваши требования и ограничения. Вы все, в конце концов, проектируете материал, пытаетесь ли вы сделать самый гладкий шоколад или самый прочный металлический сплав… ход мыслей одинаков».

Но обучение компьютеров работе с данными сопряжено с множеством проблем.

«Сегодня существует множество методов машинного обучения, — говорит Боб Ханиш, научный сотрудник Национального института стандартов и технологий, специализирующийся на хранении и поиске данных. «Но есть много подводных камней. … Без контекста результаты любого алгоритма машинного обучения будут просто мусором».

Слишком мало данных может дать вам ложное чувство уверенности в результатах. Ханиш говорит, что без достаточного количества образцов некоторые тонкие различия могут быть упущены. «И это часто имеет место в материаловедении; просто существует не так много существующих данных по рассматриваемым материалам».

Чтобы проиллюстрировать свою точку зрения, Ханиш приводит печально известную поучительную историю из биологии. Был разработан алгоритм, позволяющий отличать изображения собак от изображений волков с высокой степенью точности. Когда люди вернулись и изучили фотографии, они поняли, что все изображения волков были сделаны в снегу по чистому совпадению. Компьютер распознал обстановку, а не что-то конкретное о собаках или волках, объясняет Ханиш. Отсутствовали как качество данных, так и контекст, что делало результаты надежными, но ошибочными.

Точно так же изображения микроструктур материалов можно маркировать в соответствии с их свойствами и эксплуатационными характеристиками, а затем каталогизировать. Через некоторое время данная система машинного обучения начнет обнаруживать закономерности. Но это всего лишь упражнение по сбору данных. Алгоритмы машинного обучения ничего не знают о физическом мире, пока мы не расскажем им об этом, поэтому поиск контекстной информации для ввода в систему является ключевым моментом. А для материалов информация может быть гораздо более сложной, чем просто «снег» или «нет снега».

Для материалов это означает многое из того, о чем Джим Уоррен говорил со своими образцами стали: список ингредиентов, производственный процесс, «то есть рецепт суфле», — говорит Уоррен. Это также означает то, что исследовательские группы Дугласа и Кэмпбелла обнаружили при работе с никелем и графеном: время закалки, динамика смятия и стабильность при высоких температурах.

После определения потребностей в данных материаловеды используют модели, чтобы сузить пробелы в знаниях. Идея состоит в том, чтобы ускорить скорость открытия путем объединения экспериментов и моделирования.

Делиться всеми открытиями гораздо сложнее, чем просто выбрасывать информацию во всемирную паутину, чтобы кто-нибудь мог ее случайно найти. Исследователи не всегда используют одну и ту же терминологию для описания одинаковых тем, процессов и материальных компонентов.

Чтобы помочь, NIST разрабатывает веб-реестр ресурсов материалов, и издатели данных, которые хотят представить свою работу, должны использовать предопределенный словарь из списка, разработанного Ханишем и его командой.

Ученые NIST также сотрудничают с другими исследовательскими институтами и частными компаниями для разработки баз данных. Например, в прошлом году группа, в которую входили исследователи из NIST, Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Северо-Западного университета и компании Citrine Informatics из Силиконовой долины, объявила, что смогла использовать методы машинного обучения для поиска быстрый способ открыть и улучшить металлическое стекло за долю времени и затрат, ранее оцененных для материала.

Хотя металлическое стекло редко обсуждается за пределами мира прикладной физики и материаловедения, оно стало своего рода священным Граалем для некоторых исследовательских групп. Большинство металлов имеют упорядоченную атомную структуру, что делает их жесткими. Стекла, будь то металлические или более привычные силикатные материалы, из которых изготавливают обычную стеклянную посуду, являются аморфными, с более рандомизированной молекулярной структурой, которая больше напоминает жидкость, чем твердое тело. Однако, в отличие от обычного стекла, этот новый материал может проводить электричество, он чрезвычайно прочен и может служить отличным покрытием для стали или других строительных материалов.

На сегодняшний день ученые не определили по-настоящему предсказательную модель, подробно описывающую, почему одна смесь элементов образует стекло, а другая смесь тех же или подобных элементов — нет. За последние 50 лет ученые определили и свели в таблицу около 6000 комбинаций различных материалов в поисках материала, с небольшим прогрессом. Используя машинное обучение, команда, финансируемая MGI, смогла изготовить и проверить более 20 000 новых металлов на предмет их способности формировать очки за один год.0116 Научные достижения в апреле 2018 г. 

Кредит: Ивонн Танг/Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Было полезно иметь частную компанию, вовлеченную в проект металлического стекла, говорит Уоррен, руководитель MGI. «Они верят в ИИ. У них также есть опыт работы в промышленности, и они знают, что нужно отрасли».

Но существование MGI в качестве предприятия государственного сектора является важным способом устранения рисков для компаний, которые хотят работать с новыми материалами.