Forskere 3D-print mineraler for bedre at kunne forudsige bruddannelse

Revner er overalt, og de betyder ofte problemer. I fundamentet af dit hus, i din forrude, i de tektoniske plader under dine fødder. Men, overraskende, forskere forstår dem faktisk ikke så godt, som de gerne vil.

Purdue-fysikprofessor Laura Pyrak-Nolte og hendes laboratorieteam arbejder sammen med Purdues Rock Physics Research Group for bedre at forstå, hvordan og hvor brud dannes. At kunne forudsige og forstå brud er afgørende for en lang række områder, herunder forbedring af naturgasproduktionens sikkerhed og effektivitet, kulstofbinding, og bortskaffelse af atomaffald. Det er også vigtigt for at forbedre den strukturelle integritet af store 3D-trykte komponenter, herunder broer og menneskelige levesteder på andre planeter.

I naturen, klipper indeholder en lang række funktioner og en bred vifte af unikke kvaliteter. Blandt dem er den måde, hvorpå lagene af mineraler dannes, samt orienteringen af ​​"mineralstoffet" - den måde, de mineralkomponenter, der udgør stenlag og formationer er organiseret på.

Pyrak-Nolte og fysik kandidatstuderende Liyang Jiang studerer bruddannelsesmønstre ved hjælp af 3D-printere, med andre teammedlemmer, der inkluderer Antonio Bobet, Purdues Edgar B. og Hedwig M. Olson professor i civilingeniør, og Hongkyu Yoon, en teknisk ekspert ved Sandia National Laboratories.

"I betragtning af at brudgeometri er så vigtig, et centralt spørgsmål er, hvad der påvirker denne geometri, da et brud dannes i bjergarter? "spørger Pyrak-Nolte." Vores arbejde fokuserer på spørgsmålet om, hvorvidt vi kan opdage brud på afstand, og om vi kan forudsige, hvordan de dannes, og kan vi lære om deres brudgeometri fra deres mineralsammensætning? Vores kolleger havde en måde at printe syntetiske sten ud af gips, så vi kunne 3D-print sten med gentagelige funktioner. "

Mange mennesker kender ideen om at bruge en 3D-printer til at lave plastikgenstande, men færre indser, at du kan bruge en 3D-printer til at lave syntetiske stenprøver. Sådanne 3D-trykte stenprøver hjælper fysikere og ingeniører med at studere sten, da de hjælper med at holde eksperimentets variabler kontrolleret.

Alle 3D-trykte stoffer består af lag. I dette tilfælde, printeren lægger et lag bassanitpulver - et calciumsulfatmineral - og, ligesom en inkjetprinter, det går på tværs af sprøjtning af et bindemiddel, læg derefter et andet lag bassanit oven på det. Denne trykproces inducerer kemisk reaktion af bassanitpulvere med vandbaseret bindemiddelopløsning. Resultatet er en gipsprøve, der har lag bundet sammen af ​​gipskrystaller. Kraften i processen er, at forskere kan bruge et computerprogram til at kontrollere kvaliteten af ​​alle aspekter af den syntetiske sten.

Inden 3D-printteknologi, forskere måtte enten undersøge stenprøver fra naturen eller støbe dannet ved at blande mineralsk pulver og vand. Ingen af ​​prøverne kunne påberåbes som ensartede, heller ikke at levere kvantificerbare, gentagelige resultater nødvendige for at drage faste konklusioner om rockmekanik.

"Vores team testede nogle sten fra naturlige klippeformationer, "Jiang sagde." Men selvom du får to prøver meget tæt på hinanden på stedet, de vil være lidt forskellige. De har alle slags mineraler med naturlige forskelle. Du kan have allerede eksisterende brud, som du ikke kender til. På grund af den nye 3D-printteknologi, vi er i stand til at teste sten og indsamle reproducerbare resultater. Vi kan designe formen i alle dimensioner. Og det er en meget mere præcis proces end at arbejde med natursten eller stenkast. "

Teamet udskriver prøver med forskellige orienteringer af mineralstof, bestemmelse af, om orienteringen havde nogen effekt på, hvordan og hvor brud dannede sig, når prøven blev udsat for spændinger. Så lagde Jiang mærke til et spændende mønster.

"Bare ved at se på måden prøven brød på - den slags brud, dens form og glathed-jeg kunne se, hvilken 3D-trykt stenprøve jeg kiggede på, "Sagde Jiang.

Når en sten går i stykker, den forsøger at modstå den brudkraft. Jiang opdagede, at når lagene og mineralerne i klippen er orienteret i samme retning, og en bestemt form for stress påføres, bølgede frakturer har tendens til at dannes. Bølgepap er, hvad det lyder som-en slags sinusbølgeform som de indre lag af et bølgepapark. Disse korrugeringer dannes i naturen, især i sedimentære sten.

Efter at have observeret fænomenet, holdet testede tilfældigt genererede stenprøver lavet med en traditionel støbemetode. De opdagede, at i stenprøver uden lag og uden orienterede korn, brud dannet glat, uden bølger. Imidlertid, forskellige ruheder opstod i hver prøve på grund af de forskellige mekaniske kvaliteter i klippen.

"Nøgletanken er, at hvis vi forstår, hvordan korrugeringer fremstilles, bare ved at se på en stenprøve kan vi eksternt forudsige brudgeometri og foretrukne strømningsveje for væsker, "Sagde Pyrak-Nolte.

Det fungerer den anden vej, også. Ved at se på, hvordan en sten går i stykker, forskere kan udlede noget om dets mineralorientering.

Teamet offentliggjorde disse resultater i Videnskabelige rapporter .