Sprickor finns överallt, och de betyder ofta problem. I grunden av ditt hus, i din vindruta, i de tektoniska plattorna under dina fötter. Men, förvånande, forskare förstår dem faktiskt inte så bra som de skulle vilja.

Purdue fysikprofessor Laura Pyrak-Nolte och hennes labbteam arbetar med Purdues Rock Physics Research Group för att bättre förstå hur och var sprickor bildas. Att kunna förutsäga och förstå frakturer är mycket viktigt för ett brett spektrum av områden, inklusive att förbättra säkerheten och effektiviteten av naturgasproduktion, kolbindning, och bortskaffande av kärnavfall. Det är också viktigt för att förbättra den strukturella integriteten hos stora 3-D-utskrivna komponenter, inklusive broar och mänskliga livsmiljöer på andra planeter.

I naturen, stenar innehåller en mängd olika egenskaper och en mångfald av unika egenskaper. Bland dem är hur lagren av mineraler bildas, såväl som orienteringen av "mineralväven" - hur mineralkomponenterna som utgör bergskikt och formationer är organiserade.

Pyrak-Nolte och fysikstudenten Liyang Jiang studerar frakturbildningsmönster med hjälp av 3D-skrivare, med andra teammedlemmar som inkluderar Antonio Bobet, Purdues Edgar B. och Hedwig M. Olson professor i byggnadsteknik, och Hongkyu Yoon, en teknisk expert på Sandia National Laboratories.

"Med tanke på att sprickgeometri är så viktig, en nyckelfråga är vad som påverkar denna geometri när en spricka bildas i berget?" frågar Pyrak-Nolte. "Vårt arbete fokuserar på frågan om vi kan upptäcka sprickor på distans och om vi kan förutsäga hur de bildas, och kan vi lära oss om deras sprickgeometri från deras mineralsammansättning? Våra kollegor hade ett sätt att skriva ut syntetiska stenar av gips, så vi kunde 3-D-printa stenar med repeterbara funktioner."

Många känner till idén att använda en 3D-skrivare för att skapa plastföremål, men färre inser att du kan använda en 3D-skrivare för att skapa syntetiska stenprover. Sådana 3-D-tryckta stenprover hjälper fysiker och ingenjörer att studera stenar, eftersom de hjälper till att hålla experimentets variabler kontrollerade.

Alla 3D-tryckta ämnen är uppbyggda av lager. I detta fall, skrivaren lägger ner ett lager bassanitpulver – ett kalciumsulfatmineral – och, precis som en bläckstråleskrivare, det går över att spraya ett bindemedel, lägg sedan ytterligare ett lager bassanit ovanpå den. Denna tryckprocess inducerar kemisk reaktion av bassanitpulver med vattenbaserad bindemedelslösning. Resultatet är ett gipsprov som har skikt sammanbundna av gipskristaller. Styrkan i processen är att forskare kan använda ett datorprogram för att kontrollera kvaliteten på varje aspekt av den syntetiska bergarten.

Innan 3D-utskriftsteknik, forskare var antingen tvungna att studera stenprover från naturen eller avgjutningar som bildades genom att blanda mineralpulver och vatten. Man kunde inte lita på att någon uppsättning prover var enhetlig, inte heller att leverera kvantifierbara, upprepningsbara resultat som behövs för att dra bestämda slutsatser om bergmekanik.

"Vårt team testade några stenar från naturliga stenformationer, " sa Jiang. "Men även om du får två prover väldigt nära varandra på plats, de kommer att vara lite annorlunda. De har alla sorters mineraler med naturliga skillnader. Du kan ha redan existerande frakturer som du inte känner till. På grund av den nya 3D-utskriftstekniken, vi kan testa stenar och samla reproducerbara resultat. Vi kan designa formen i alla dimensioner. Och det är en mycket mer exakt process än att arbeta med naturligt berg eller kast av sten."

Teamet skrev ut prover med olika orienteringar av mineraltyg, avgöra om orienteringen hade någon effekt på hur och var sprickor bildades när provet utsattes för spänning. Sedan lade Jiang märke till ett spännande mönster.

"Bara genom att titta på hur provet gick sönder - den typen av fraktur, dess form och jämnhet — jag kunde se vilket 3-D-tryckt stenprov jag tittade på, sa Jiang.

När en sten spricker, den försöker motstå den brytkraften. Jiang upptäckte att när bergets lager och mineraler är orienterade i samma riktning och en viss typ av stress appliceras, korrugerade sprickor tenderar att bildas. Korrugering är vad det låter som - en sorts sinusvågform som de inre lagren av en wellpappskiva. Dessa korrugeringar bildas i naturen, speciellt i sedimentära bergarter.

Efter att ha observerat fenomenet, teamet testade slumpmässigt genererade bergprover gjorda med en traditionell gjutmetod. De upptäckte att i stenprover utan lager och utan orienterade korn, frakturer som bildas jämnt, utan korrugeringar. Dock, olika grovheter framkom i varje prov på grund av de olika mekaniska egenskaperna i berget.

"Nyckeltanken är att om vi förstår hur korrugeringar produceras, bara genom att titta på ett stenprov kan vi på distans förutsäga sprickgeometri och preferentiella flödesvägar för vätskor, sa Pyrak-Nolte.

Det fungerar åt andra hållet, för. Genom att titta på hur en sten spricker, forskare kan sluta sig till något om dess mineralorientering.

Teamet publicerade dessa resultat i Vetenskapliga rapporter .