Co mají společného dřevo, led a disky v lidské páteři? Všechny jsou to viskoelastické materiály. Viskoelasticita je vlastnost zahrnující viskózní i elastické vlastnosti zároveň. QCM-D je povrchově citlivá technologie, která dokáže charakterizovat viskoelastické vlastnosti tenkých molekulárních vrstev i sypkých materiálů.
Viskoelastické materiály se chovají jako kapalina i pevná látka
Viskoelastické vlastnosti vykazuje mnoho materiálů, od přírodních biologických struktur, jako jsou tkáně, chrupavky a kůže, až po syntetické polymery a beton. To, že je materiál viskoelastický, znamená, že se do určité míry chová jako kapalina i jako pevný materiál a že má časově závislou deformaci.
Viskozita
Viskozita popisuje odpor kapaliny při proudění, Obrázek 1. Obrázek 2: Viskozita kapaliny. Čím vyšší je viskozita, tím větší je síla potřebná k vytvoření určitého proudění. Srovnejte například med s mlékem, kde med má z obou viskozitu nejvyšší. Měřeno v pascalech za sekundu (Pa-s) má med viskozitu 10 Pa-s, což je asi třitisíckrát více než mléko, které má viskozitu 0,003 Pa-s. A to je důvod, proč med neteče tak snadno jako mléko.
Obrázek 1. Definice dynamické viskozity: úměrnost mezi působícím smykovým napětím a vyvolaným gradientem rychlosti proudění.
Elasticita
Elasticita je charakteristická vlastnost materiálu, která popisuje odolnost pevného materiálu vůči deformaci a udává se v Pa, obr. 2. Pružnost popisuje, jak určitá působící síla způsobí deformaci pevného materiálu, a čím vyšší je pružnost, tím větší síla je zapotřebí k vyvolání dané deformace. Představte si například pryž v porovnání s kovem (do jisté míry pružným), přičemž kov má nejvyšší pružnost.
Obrázek 2. Definice modulu pružnosti ve smyku: úměrnost mezi působící silou a vyvolanou smykovou deformací.
Různé moduly pružnosti v různých situacích
Existují různé moduly pružnosti, které popisují mírně odlišné napěťové situace:
- Modul pružnosti (Youngův) udává deformaci při jednoosém namáhání
- Objemový modul udává odolnost proti rovnoměrnému stlačení
- Modul pružnosti ve smyku popisuje odolnost materiálu proti působení smykové síly
Tvrdá tělesa, jako je diamant, mají velmi vysoké moduly pružnosti (modul pružnosti ve smyku 478 GPa), což znamená, že k deformaci materiálu je třeba velkého napětí. Měkčí pevné látky, jako je například hliník, mají naopak nižší moduly pružnosti (modul pružnosti ve smyku 25 GPa), protože k vyvolání deformace je zapotřebí menšího napětí.
Chování materiálu závisí na časovém měřítku
Viskoelastické materiály se mohou chovat převážně jako viskózní nebo převážně jako elastické, případně stejně, v závislosti na velikosti a časovém měřítku působícího smykového napětí. Například zubní pasta se při vytlačování z tuby chová jako viskózní materiál, ale v klidu na zubním kartáčku se chová převážně pružně, aby nestékala. Totéž platí pro barvu, působí-li na ni štětcem napětí, barva se roztírá např. po stěně, ale když se nechá v klidu, je výhodné, aby zůstala na stěně a nestékala na zem. Dalším příkladem je hrací těsto nebo „hloupý tmel“, který když se rozválí mezi dlaněmi a hodí na zem, bude poskakovat a chovat se většinou pružně. Když se místo toho nechá odpočívat na stole, začne nakonec viskózně stékat. Vysvětlení tohoto druhu viskoelastického chování lze vysledovat až na molekulární úroveň a propletenost polymerů tvořících barvu, zubní pastu nebo těsto na hraní. Vysoká provázanost má za následek převážně elastické chování (zubní pasta v klidu nebo těsto na hraní v zátěži), zatímco neprovázanost dodává materiálu viskóznější charakter (barva v zátěži nebo těsto na hraní v klidu).
Obrázek 3. Viskoelastické chování polymerního materiálu lze vysvětlit procesy entanglementace a disentanglementace na molekulární úrovni. Ten vede k převážně viskóznímu chování.
Monitorování viskoelastických vlastností molekulárních vrstev a kapalin
Proto je velmi zajímavé mít možnost navrhovat a charakterizovat materiály z měkké hmoty na molekulární úrovni. To lze provést pomocí povrchově citlivé techniky, jako je QCM-D. Sledováním f a D při více tónech lze získat nejen hmotnost a tloušťku povrchově přiléhající molekulární vrstvy, ale také viskoelastické vlastnosti (modul pružnosti ve smyku a viskozitu). To lze provést buď pro tenké vrstvy přichycené k povrchu senzoru, nebo pro sypký materiál, což je využitelné například v široké oblasti reologie a aplikací fázových přechodů. Sledováním změn viskoelasticity molekulárních vrstev připojených k povrchu lze v reálném čase a s vysokou citlivostí sledovat procesy, jako je síťování, bobtnání a další konformační změny.
Stáhněte si text ve formátu pdf níže
