Le crepe sono ovunque, e spesso significano guai. Nelle fondamenta della tua casa, nel tuo parabrezza, nelle placche tettoniche sotto i tuoi piedi. Ma, sorprendentemente, gli scienziati in realtà non li capiscono come vorrebbero.

La professoressa di fisica di Purdue Laura Pyrak-Nolte e il suo team di laboratorio lavorano con il Rock Physics Research Group di Purdue per capire meglio come e dove si formano le fratture. Essere in grado di prevedere e comprendere le fratture è di vitale importanza per un'ampia gamma di campi, compreso il miglioramento della sicurezza e dell'efficacia della produzione di gas naturale, sequestro del carbonio, e smaltimento delle scorie nucleari. È anche importante per migliorare l'integrità strutturale di grandi componenti stampati in 3D, compresi ponti e habitat umani su altri pianeti.

In natura, le rocce contengono un'ampia varietà di caratteristiche e una vasta gamma di qualità uniche. Tra questi ci sono il modo in cui si formano gli strati di minerali, così come l'orientamento del "tessuto minerale", il modo in cui sono organizzati i componenti minerali che compongono gli strati e le formazioni rocciose.

Pyrak-Nolte e lo studente laureato in fisica Liyang Jiang studiano i modelli di formazione delle fratture utilizzando stampanti 3D, con altri membri del team che includono Antonio Bobet, Edgar B. di Purdue e Hedwig M. Olson Professore di ingegneria civile, e Hongkyu Yoon, un esperto tecnico dei Laboratori Nazionali Sandia.

"Dato che la geometria della frattura è così importante, una domanda chiave è cosa influenza questa geometria quando si forma una frattura nella roccia?", si chiede Pyrak-Nolte. "Il nostro lavoro si concentra sulla questione se possiamo rilevare le fratture a distanza e se possiamo prevedere come si formano, e possiamo conoscere la loro geometria di frattura dalla loro composizione minerale? I nostri colleghi avevano un modo per stampare rocce sintetiche dal gesso, in modo da poter stampare in 3D rocce con caratteristiche ripetibili".

Molte persone hanno familiarità con l'idea di utilizzare una stampante 3D per creare oggetti in plastica, ma pochi si rendono conto che è possibile utilizzare una stampante 3D per creare campioni di roccia sintetica. Questi campioni di roccia stampati in 3D aiutano i fisici e gli ingegneri a studiare le rocce, in quanto aiutano a mantenere controllate le variabili dell'esperimento.

Tutte le sostanze stampate in 3D sono costituite da strati. In questo caso, la stampante stende uno strato di polvere di bassanite, un minerale di solfato di calcio, e, proprio come una stampante a getto d'inchiostro, attraversa spruzzando un legante, poi mettendoci sopra un altro strato di bassanite. Questo processo di stampa induce la reazione chimica delle polveri di bassanite con una soluzione di legante a base acquosa. Il risultato è un campione di gesso che ha strati legati insieme da cristalli di gesso. La potenza del processo è che i ricercatori possono utilizzare un programma per computer per controllare la qualità di ogni aspetto della roccia sintetica.

Prima della tecnologia di stampa 3D, gli scienziati hanno dovuto studiare campioni di roccia dalla natura o calchi formati mescolando polvere minerale e acqua. Nessuna serie di campioni può essere considerata uniforme, né per fornire quantificabili, risultati ripetibili necessari per trarre conclusioni definitive sulla meccanica delle rocce.

"Il nostro team stava testando alcune rocce da formazioni rocciose naturali, " disse Jiang. "Ma anche se ottieni due campioni molto vicini l'uno all'altro nella posizione, saranno un po' diversi. Hanno tutti i tipi di minerali con differenze naturali. Potresti avere fratture preesistenti di cui non sei a conoscenza. Grazie alla nuova tecnologia di stampa 3D, siamo in grado di testare rocce e raccogliere risultati riproducibili. Possiamo progettare la forma in tutte le dimensioni. Ed è un processo molto più accurato rispetto al lavoro con roccia naturale o calchi di roccia".

Il team stava stampando campioni con vari orientamenti di tessuto minerale, determinare se l'orientamento ha avuto qualche effetto su come e dove si sono formate le fratture quando il campione è stato sottoposto a tensione. Poi Jiang notò uno schema intrigante.

"Solo guardando il modo in cui il campione si è rotto, il tipo di frattura, la sua forma e levigatezza:potevo dire quale campione di roccia stampato in 3D stavo guardando, " ha detto Jiang.

Quando una roccia si rompe, cerca di resistere a quella forza di rottura. Jiang scoprì che quando gli strati e i minerali della roccia sono orientati nella stessa direzione e viene applicato un certo tipo di stress, le fratture corrugate tendono a formarsi. L'ondulazione è ciò che sembra:una sorta di forma d'onda sinusoidale come gli strati interni di un foglio di cartone ondulato. Queste ondulazioni si formano in natura, soprattutto nelle rocce sedimentarie.

Dopo aver osservato il fenomeno, il team ha testato campioni di roccia generati casualmente realizzati con un metodo di fusione tradizionale. Hanno scoperto che in campioni di roccia senza strati e senza grani orientati, fratture formate senza intoppi, senza ondulazioni. Però, rugosità diverse sono emerse in ogni campione a causa delle diverse qualità meccaniche della roccia.

"L'idea chiave è che se comprendiamo come vengono prodotte le ondulazioni, semplicemente osservando un campione di roccia possiamo prevedere a distanza la geometria della frattura e i percorsi preferenziali del flusso per i fluidi, " disse Pyrak-Nolte.

Funziona in un altro modo, pure. Osservando il modo in cui una roccia si frattura, i ricercatori possono dedurre qualcosa sul suo orientamento minerale.

Il team ha pubblicato questi risultati in Rapporti scientifici .