Les fissures sont partout, et ils signifient souvent des ennuis. Dans les fondations de ta maison, dans ton pare-brise, dans les plaques tectoniques sous vos pieds. Mais, étonnamment, les scientifiques ne les comprennent pas aussi bien qu'ils le voudraient.

La professeure de physique de Purdue Laura Pyrak-Nolte et son équipe de laboratoire travaillent avec le groupe de recherche en physique des roches de Purdue pour mieux comprendre comment et où se forment les fractures. Être capable de prédire et de comprendre les fractures est d'une importance vitale pour un large éventail de domaines, y compris l'amélioration de la sécurité et de l'efficacité de la production de gaz naturel, séquestration du carbone, et l'élimination des déchets nucléaires. Il est également important d'améliorer l'intégrité structurelle des grands composants imprimés en 3D, y compris les ponts et les habitats humains sur d'autres planètes.

Dans la nature, les roches contiennent une grande variété de caractéristiques et un large éventail de qualités uniques. Parmi eux se trouvent la façon dont les couches de minéraux se forment, ainsi que l'orientation du « tissu minéral » - la façon dont les composants minéraux qui composent les couches et les formations rocheuses sont organisés.

Pyrak-Nolte et Liyang Jiang, étudiant diplômé en physique, étudient les modèles de formation de fractures à l'aide d'imprimantes 3D, avec d'autres membres de l'équipe dont Antonio Bobet, Edgar B. et Hedwig M. Olson professeur de Purdue en génie civil, et Hongkyu Yoon, un expert technique chez Sandia National Laboratories.

"Étant donné que la géométrie de la fracture est si importante, une question clé est ce qui affecte cette géométrie lorsqu'une fracture se forme dans la roche ?", demande Pyrak-Nolte. "Notre travail se concentre sur la question de savoir si nous pouvons détecter les fractures à distance et si nous pouvons prédire comment elles se forment, et pouvons-nous en apprendre davantage sur la géométrie de leurs fractures à partir de leur composition minérale ? Nos collègues avaient un moyen d'imprimer des roches synthétiques à partir de gypse, afin que nous puissions imprimer en 3D des roches avec des caractéristiques reproductibles."

Beaucoup de gens connaissent l'idée d'utiliser une imprimante 3D pour créer des objets en plastique, mais moins se rendent compte que vous pouvez utiliser une imprimante 3D pour créer des échantillons de roche synthétique. De tels échantillons de roches imprimés en 3D aident les physiciens et les ingénieurs à étudier les roches, car ils aident à garder les variables de l'expérience contrôlées.

Toutes les substances imprimées en 3D sont constituées de couches. Dans ce cas, l'imprimeur dépose une couche de poudre de bassanite - un minéral de sulfate de calcium - et, tout comme une imprimante à jet d'encre, il traverse la pulvérisation d'un liant, puis mettez une autre couche de bassanite dessus. Ce procédé d'impression induit une réaction chimique des poudres de bassanite avec une solution de liant à base d'eau. Le résultat est un échantillon de gypse qui a des couches liées entre elles par des cristaux de gypse. La puissance du processus est que les chercheurs peuvent utiliser un programme informatique pour contrôler la qualité de chaque aspect de la roche synthétique.

Avant la technologie d'impression 3D, les scientifiques devaient soit étudier des échantillons de roches de la nature, soit des moulages formés en mélangeant de la poudre minérale et de l'eau. Aucun des deux ensembles d'échantillons ne pouvait être considéré comme uniforme, ni de livrer quantifiable, résultats reproductibles nécessaires pour tirer des conclusions fermes sur la mécanique des roches.

"Notre équipe testait des roches provenant de formations rocheuses naturelles, " dit Jiang. " Mais même si vous obtenez deux échantillons très proches l'un de l'autre, ils seront un peu différents. Ils contiennent toutes sortes de minéraux avec des différences naturelles. Vous pouvez avoir des fractures préexistantes que vous ne connaissez pas. Grâce à la nouvelle technologie d'impression 3D, nous sommes en mesure de tester des roches et de recueillir des résultats reproductibles. Nous pouvons concevoir la forme dans toutes les dimensions. Et c'est un processus beaucoup plus précis que de travailler avec de la roche naturelle ou des moulages de roche."

L'équipe imprimait des échantillons avec diverses orientations de tissu minéral, déterminer si l'orientation a eu un effet sur comment et où les fractures se sont formées lorsque l'échantillon a été soumis à une tension. Puis Jiang a remarqué un motif intrigant.

"Juste en regardant la façon dont l'échantillon s'est cassé - le genre de fracture, sa forme et sa douceur - je pouvais dire quel échantillon de roche imprimé en 3D je regardais, " dit Jiang.

Quand une roche se brise, il essaie de résister à cette force de rupture. Jiang a découvert que lorsque les couches et les minéraux de la roche sont orientés dans la même direction et qu'un certain type de contrainte est appliqué, des fractures ondulées ont tendance à se former. L'ondulation est ce que cela ressemble à une sorte de forme d'onde sinusoïdale comme les couches internes d'une feuille de carton ondulé. Ces ondulations se forment dans la nature, surtout dans les roches sédimentaires.

Après avoir observé le phénomène, l'équipe a testé des échantillons de roche générés au hasard et fabriqués avec une méthode de coulée traditionnelle. Ils ont découvert que dans des échantillons de roche sans couches et sans grains orientés, les fractures se sont formées en douceur, sans ondulations. Cependant, différentes rugosités sont apparues dans chaque échantillon en raison des différentes qualités mécaniques de la roche.

"L'idée clé est que si nous comprenons comment les ondulations sont produites, en regardant simplement un échantillon de roche, nous pouvons prédire à distance la géométrie de la fracture et les chemins d'écoulement préférentiels pour les fluides, " dit Pyrak-Nolte.

ça marche dans l'autre sens, trop. En regardant la façon dont une roche se fracture, les chercheurs peuvent déduire quelque chose sur son orientation minérale.

L'équipe a publié ces résultats dans Rapports scientifiques .