Overal zijn scheuren, en ze betekenen vaak problemen. In de fundering van je huis, in je voorruit, in de tektonische platen onder je voeten. Maar, verrassend genoeg, wetenschappers begrijpen ze niet zo goed als ze zouden willen.

Purdue natuurkundeprofessor Laura Pyrak-Nolte en haar laboratoriumteam werken samen met Purdue's Rock Physics Research Group om beter te begrijpen hoe en waar breuken ontstaan. Het kunnen voorspellen en begrijpen van fracturen is van vitaal belang voor een breed scala aan vakgebieden, waaronder het verbeteren van de veiligheid en doeltreffendheid van de aardgasproductie, koolstofvastlegging, en verwijdering van nucleair afval. Het is ook belangrijk bij het verbeteren van de structurele integriteit van grote 3D-geprinte componenten, inclusief bruggen en menselijke habitats op andere planeten.

In de natuur, rotsen bevatten een breed scala aan functies en een breed scala aan unieke kwaliteiten. Onder hen zijn de manier waarop de lagen van mineralen worden gevormd, evenals de oriëntatie van het "minerale weefsel" - de manier waarop de minerale componenten waaruit gesteentelagen en -formaties bestaan, zijn georganiseerd.

Pyrak-Nolte en afgestudeerde natuurkundestudent Liyang Jiang bestuderen patronen van breukvorming met behulp van 3D-printers, met andere teamleden, waaronder Antonio Bobet, Purdue's Edgar B. en Hedwig M. Olson hoogleraar civiele techniek, en Hongkyu Yoon, een technisch expert bij Sandia National Laboratories.

"Gezien het feit dat breukgeometrie zo belangrijk is, een belangrijke vraag is wat deze geometrie beïnvloedt als zich een breuk vormt in gesteente?" Vraagt ​​Pyrak-Nolte. "Ons werk draait om de vraag of we breuken op afstand kunnen detecteren en of we kunnen voorspellen hoe ze ontstaan, en kunnen we leren over hun breukgeometrie uit hun minerale samenstelling? Onze collega's hadden een manier om synthetische stenen uit gips te printen, zodat we stenen met herhaalbare functies in 3D konden printen."

Veel mensen zijn bekend met het idee om een ​​3D-printer te gebruiken om plastic voorwerpen te maken, maar minder realiseren zich dat je een 3D-printer kunt gebruiken om synthetische rotsmonsters te maken. Dergelijke 3D-geprinte rotsmonsters helpen natuurkundigen en ingenieurs bij het bestuderen van rotsen, omdat ze helpen de variabelen van het experiment onder controle te houden.

Alle 3D-geprinte stoffen zijn opgebouwd uit lagen. In dit geval, de printer legt een laag bassanietpoeder neer - een calciumsulfaatmineraal - en, net als een inkjetprinter, het gaat over het spuiten van een bindmiddel, leg er dan nog een laag bassanite op. Dit drukproces induceert een chemische reactie van bassanietpoeders met een bindmiddeloplossing op waterbasis. Het resultaat is een gipsmonster met lagen die aan elkaar zijn gebonden door gipskristallen. De kracht van het proces is dat onderzoekers een computerprogramma kunnen gebruiken om de kwaliteit van elk aspect van het synthetische gesteente te controleren.

Voordat de 3D-printtechnologie wetenschappers moesten ofwel gesteentemonsters uit de natuur bestuderen of afgietsels gevormd door mineraalpoeder en water te mengen. Op geen enkele set monsters kon worden vertrouwd als uniform, noch meetbaar te leveren, herhaalbare resultaten die nodig zijn om stevige conclusies te trekken over gesteentemechanica.

"Ons team testte enkele stenen uit natuurlijke rotsformaties, Jiang zei. "Maar zelfs als je twee monsters heel dicht bij elkaar krijgt op locatie, ze zullen een beetje anders zijn. Ze hebben allerlei mineralen met natuurlijke verschillen. U heeft mogelijk reeds bestaande fracturen waarvan u niets weet. Door de nieuwe 3D-printtechnologie, we kunnen stenen testen en reproduceerbare resultaten verzamelen. We kunnen de vorm in alle afmetingen ontwerpen. En het is een veel nauwkeuriger proces dan werken met natuurlijk gesteente of afgietsels van gesteente."

Het team drukte monsters af met verschillende oriëntaties van mineraalweefsel, bepalen of de oriëntatie enig effect had op hoe en waar breuken werden gevormd toen het monster werd onderworpen aan spanning. Toen zag Jiang een intrigerend patroon.

"Gewoon door te kijken naar de manier waarop het monster brak - het soort breuk, zijn vorm en gladheid - ik kon zien naar welk 3D-geprint rotsmonster ik keek, ' zei Jiang.

Als een steen breekt, het probeert die brekende kracht te weerstaan. Jiang ontdekte dat wanneer de lagen en mineralen van het gesteente in dezelfde richting zijn georiënteerd en een bepaald soort spanning wordt uitgeoefend, gegolfde breuken hebben de neiging zich te vormen. Golf is hoe het klinkt:een soort sinusgolfvorm zoals de binnenste lagen van een golfkarton. Deze golvingen vormen in de natuur, vooral in sedimentair gesteente.

Na het fenomeen te hebben waargenomen, het team testte willekeurig gegenereerde rotsmonsters gemaakt met een traditionele gietmethode. Ze ontdekten dat in gesteentemonsters zonder lagen en zonder georiënteerde korrels, breuken soepel gevormd, zonder ribbels. Echter, In elk monster kwamen verschillende ruwheden naar voren vanwege de verschillende mechanische eigenschappen in het gesteente.

"Het belangrijkste idee is dat als we begrijpen hoe golfplaten worden geproduceerd, gewoon door naar een gesteentemonster te kijken, kunnen we op afstand de breukgeometrie en preferentiële stroompaden voor vloeistoffen voorspellen, ' zei Pyrak-Nolte.

Het werkt andersom te. Door te kijken naar de manier waarop een rots breekt, onderzoekers kunnen iets afleiden over de minerale oriëntatie.

Het team publiceerde deze resultaten in Wetenschappelijke rapporten .