Comprendre comment les fissures se propagent dans la glace est vital pour divers domaines, tels que la science cryosphérique, l'ingénierie et l'étude des matériaux. Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Takuya Ikeda de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) a mené une enquête expérimentale pour déchiffrer les caractéristiques fondamentales de la fissuration des structures de glace multicouches. Leurs découvertes, rapportées dans la revue Earth and Planetary Science Letters, donnent un aperçu de la nature complexe de la propagation des fissures dans ces systèmes et peuvent contribuer à la conception de structures plus robustes dans des environnements glacés.

L’équipe de recherche a conçu une configuration expérimentale unique qui leur a permis de créer des échantillons multicouches bien définis d’eau liquide gelée, constitués d’une alternance de couches de glace épaisses (environ 3 mm) et minces (environ 0,5 mm). En utilisant une vidéographie à haute vitesse à 40 000 images par seconde, ils ont capturé l’évolution dynamique des fissures au fur et à mesure de leur interaction avec ces structures de glace multicouches.

Les résultats ont révélé un comportement fascinant de propagation des fissures dans les couches de glace épaisses et minces. Les fissures présentaient des caractéristiques distinctes selon la couche rencontrée. Dans les couches épaisses, les fissures se propagent selon un seul plan, appelé « fissure principale », qui reste stable. Cependant, lorsqu’elles rencontraient les couches minces, les fissures présentaient un comportement de ramification complexe, s’écartant du plan d’origine et suivant des chemins complexes. Ce motif de ramification a été observé principalement dans la première couche mince rencontrée par la fissure en progression.

L’équipe attribue ces observations à la différence de ténacité à la rupture entre les couches épaisses et minces. La ténacité à la rupture est la résistance d'un matériau à la propagation des fissures, et les épaisses couches de glace avaient une ténacité à la rupture nettement plus élevée que les couches minces. Cette différence a fait dévier les fissures de leur trajectoire rectiligne dans les couches minces, conduisant au comportement de ramification observé.

De plus, les chercheurs ont identifié une relation entre le rapport entre l’épaisseur des couches de glace épaisses et minces et l’apparition de ramifications. À mesure que le rapport augmentait, le rapport d'épaisseur critique, au-delà duquel la ramification se produisait, augmentait également. Cela indique qu’à mesure que les couches de glace épaisses deviennent plus dominantes que les couches minces, il devient plus difficile pour les fissures de s’écarter d’une trajectoire rectiligne.

En conclusion, cette étude dévoile les aspects fondamentaux de la propagation des fissures dans les structures de glace multicouches, capturant des caractéristiques uniques résultant de l'interaction entre les propriétés des couches et la dynamique des fissures. Les résultats contribuent non seulement à la compréhension théorique du comportement des fissures, mais fournissent également des informations précieuses pour les pratiques d'ingénierie dans les environnements où prédominent les conditions glaciales, tels que les régions polaires, les glaciers, les engins spatiaux et les systèmes de stockage cryogéniques.