Las grietas están por todas partes ya menudo significan problemas. En los cimientos de tu casa, en tu parabrisas, en las placas tectónicas debajo de tus pies. Pero, asombrosamente, los científicos en realidad no los entienden tan bien como les gustaría.

La profesora de física de Purdue, Laura Pyrak-Nolte, y su equipo de laboratorio trabajan con el Grupo de Investigación de Física de Rocas de Purdue para comprender mejor cómo y dónde se forman las fracturas. Ser capaz de predecir y comprender las fracturas es de vital importancia para una amplia gama de campos, incluida la mejora de la seguridad y la eficacia de la producción de gas natural, secuestro de carbón, y eliminación de desechos nucleares. También es importante para mejorar la integridad estructural de grandes componentes impresos en 3D, incluyendo puentes y hábitats humanos en otros planetas.

En naturaleza, las rocas contienen una amplia variedad de características y una diversa gama de cualidades únicas. Entre ellos se encuentran la forma en que se forman las capas de minerales, así como la orientación del "tejido mineral", la forma en que se organizan los componentes minerales que componen las capas y formaciones rocosas.

Pyrak-Nolte y el estudiante graduado de física Liyang Jiang estudian los patrones de formación de fracturas utilizando impresoras 3-D, con otros miembros del equipo que incluyen a Antonio Bobet, Edgar B. y Hedwig M. Olson Profesor de Purdue en Ingeniería Civil, y Hongkyu Yoon, un experto técnico en Sandia National Laboratories.

"Dado que la geometría de las fracturas es tan importante, una pregunta clave es ¿qué afecta a esta geometría cuando se forma una fractura en la roca? ”, pregunta Pyrak-Nolte.“ Nuestro trabajo se centra en la cuestión de si podemos detectar fracturas de forma remota y si podemos predecir cómo se forman, y ¿podemos aprender sobre su geometría de fractura a partir de su composición mineral? Nuestros colegas tenían una forma de imprimir rocas sintéticas a partir de yeso, para poder imprimir rocas en 3D con características repetibles ".

Mucha gente está familiarizada con la idea de usar una impresora 3D para crear artículos de plástico, pero pocos se dan cuenta de que puede utilizar una impresora 3D para crear muestras de rocas sintéticas. Estas muestras de rocas impresas en 3D ayudan a los físicos e ingenieros a estudiar las rocas, ya que ayudan a mantener controladas las variables del experimento.

Todas las sustancias impresas en 3D están formadas por capas. En este caso, la impresora coloca una capa de polvo de bassanita, un mineral de sulfato de calcio, y como una impresora de inyección de tinta, atraviesa rociando un aglutinante, luego colocando otra capa de bassanita encima. Este proceso de impresión induce la reacción química de los polvos de bassanita con una solución aglutinante a base de agua. El resultado es una muestra de yeso que tiene capas unidas por cristales de yeso. El poder del proceso es que los investigadores pueden usar un programa de computadora para controlar la calidad de cada aspecto de la roca sintética.

Antes de la tecnología de impresión 3D, los científicos tenían que estudiar muestras de rocas de la naturaleza o moldes formados mezclando polvo mineral y agua. No se puede confiar en que ninguno de los conjuntos de muestras sea uniforme, ni entregar cuantificables, Se necesitan resultados repetibles para sacar conclusiones firmes sobre la mecánica de rocas.

"Nuestro equipo estaba probando algunas rocas de formaciones rocosas naturales, ", Dijo Jiang." Pero incluso si obtienes dos muestras muy cerca una de la otra en la ubicación, serán un poco diferentes. Tienen todo tipo de minerales con diferencias naturales. Es posible que tenga fracturas preexistentes que no conoce. Debido a la nueva tecnología de impresión 3-D, podemos probar rocas y obtener resultados reproducibles. Podemos diseñar la forma en todas las dimensiones. Y es un proceso mucho más preciso que trabajar con roca natural o moldes de roca ".

El equipo estaba imprimiendo muestras con varias orientaciones de tejido mineral, determinar si la orientación tuvo algún efecto sobre cómo y dónde se formaron las fracturas cuando la muestra se sometió a tensión. Entonces Jiang notó un patrón intrigante.

"Con solo mirar la forma en que se rompió la muestra, el tipo de fractura, su forma y suavidad:podía decir qué muestra de roca impresa en 3D estaba mirando, "Dijo Jiang.

Cuando una roca se fractura, trata de resistir esa fuerza de ruptura. Jiang descubrió que cuando las capas y los minerales de la roca se orientan en la misma dirección y se aplica cierto tipo de tensión, tienden a formarse fracturas onduladas. Corrugación es lo que parece:una especie de forma de onda sinusoidal como las capas internas de una hoja de cartón corrugado. Estas ondulaciones se forman en la naturaleza, especialmente en rocas sedimentarias.

Después de observar el fenómeno, El equipo probó muestras de rocas generadas aleatoriamente con un método de fundición tradicional. Descubrieron que en muestras de rocas sin capas y sin granos orientados, fracturas formadas suavemente, sin corrugaciones. Sin embargo, En cada muestra surgieron diferentes rugosidades debido a las diferentes cualidades mecánicas de la roca.

"La idea clave es que si entendemos cómo se producen las ondulaciones, con solo mirar una muestra de roca, podemos predecir de forma remota la geometría de la fractura y las rutas de flujo preferenciales para los fluidos, "Dijo Pyrak-Nolte.

Funciona al revés también. Al observar la forma en que se fractura una roca, los investigadores pueden inferir algo sobre su orientación mineral.

El equipo publicó estos resultados en Informes científicos .