Was ist ein viskoelastisches Material?

Was haben Holz, Eis und die Bandscheiben in einer menschlichen Wirbelsäule gemeinsam? Sie alle sind viskoelastische Materialien. Viskoelastizität ist eine Eigenschaft, die gleichzeitig viskose und elastische Eigenschaften aufweist. QCM-D ist eine oberflächenempfindliche Technologie, mit der die viskoelastischen Eigenschaften von dünnen Molekularfilmen wie auch von Massenmaterialien charakterisiert werden können.

Viskoelastische Materialien verhalten sich sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein Feststoff

Es gibt viele Materialien, die viskoelastische Eigenschaften aufweisen, von natürlichen biologischen Strukturen wie Gewebe, Knorpel und Haut bis hin zu synthetischen Polymeren und Beton. Viskoelastisch zu sein bedeutet, dass sich das Material bis zu einem gewissen Grad sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein festes Material verhält und eine zeitabhängige Dehnung aufweist.

Viskosität

Die Viskosität beschreibt den Fließwiderstand eines Fluids, Abbildung 1. Je höher die Viskosität ist, desto größer ist die Kraft, die erforderlich ist, um eine bestimmte Strömung zu erzeugen. Vergleichen Sie zum Beispiel Honig mit Milch, wobei Honig die höchste Viskosität von beiden hat. Gemessen in Pascal∙Sekunde (Pa-s) hat Honig eine Viskosität von 10 Pa-s, was etwa dem Dreitausendfachen der Viskosität von Milch entspricht, die eine Viskosität von 0,003 Pa-s hat. Und deshalb fließt Honig nicht so leicht wie Milch.

Abbildung 1. Die Definition der dynamischen Viskosität: die Proportionalität zwischen der angelegten Schubspannung und dem induzierten Fließgeschwindigkeitsgradienten.

Elastizität

Die Elastizität ist eine Materialeigenschaft, die den Verformungswiderstand eines festen Materials beschreibt und in Pa angegeben wird, Abbildung 2. Sie wird in Pa angegeben (Abbildung 2). Die Elastizität beschreibt, wie sich ein festes Material durch eine bestimmte Kraft verformt, und je höher die Elastizität ist, desto mehr Kraft ist erforderlich, um eine bestimmte Verformung zu bewirken. Man denke zum Beispiel an Gummi im Vergleich zu Metall (bis zu einem gewissen Grad elastisch), wobei Metall die höchste Elastizität aufweist.

Abbildung 2. Die Definition des elastischen Schermoduls: die Proportionalität zwischen der aufgebrachten Kraft und der induzierten Scherverformung.

Unterschiedliche Elastizitätsmodule in verschiedenen Situationen

Es gibt verschiedene Elastizitätsmodule, die leicht unterschiedliche Belastungssituationen beschreiben:

• Der Elastizitätsmodul (Elastizitätsmodul) gibt die Dehnung unter einachsiger Spannung an
• Der Kompressionsmodul gibt den Widerstand gegen eine gleichmäßige Kompression an
• Der Scherelastizitätsmodul beschreibt den Widerstand eines Materials gegen eine Scherkraft

Harte Festkörper, wie Diamant, haben sehr hohe Elastizitätsmodule (Schermodul von 478 GPa), was bedeutet, dass eine große Spannung erforderlich ist, um das Material zu verformen. Weichere Feststoffe wie Aluminium haben dagegen niedrigere Elastizitätsmodule (Schermodul von 25 GPa), da weniger Spannung erforderlich ist, um eine Verformung herbeizuführen.

Das Materialverhalten hängt von der Zeitskala ab

Viskoelastische Materialien können sich überwiegend viskos oder überwiegend elastisch oder gleich verhalten, je nach Größe und Zeitskala der angelegten Scherspannung. So verhält sich beispielsweise Zahnpasta als viskoses Material, wenn sie aus der Tube gedrückt wird, aber überwiegend elastisch, wenn sie auf der Zahnbürste ruht, damit sie nicht abläuft. Das Gleiche gilt für Farbe: Wenn man mit dem Pinsel Druck ausübt, verteilt sich die Farbe z. B. an der Wand, aber wenn man sie in Ruhe lässt, bleibt sie vorzugsweise an der Wand, ohne auf den Boden zu laufen. Ein weiteres Beispiel ist Spielknete, die, wenn sie zwischen den Handflächen gerollt und auf den Boden geworfen wird, hüpft und sich meist elastisch verhält. Wenn man sie stattdessen auf einem Tisch liegen lässt, fängt sie schließlich an, zähflüssig zu fließen. Die Erklärung für diese Art von viskoelastischem Verhalten lässt sich bis auf die molekulare Ebene und die Verschränkung der Polymere zurückverfolgen, aus denen die Farbe, die Zahnpasta oder die Spielknete besteht. Eine hohe Verflechtung führt zu einem überwiegend elastischen Verhalten (Zahnpasta in Ruhe oder Spielknete unter Belastung), während eine fehlende Verflechtung dem Material einen eher viskosen Charakter verleiht (Farbe unter Belastung oder Spielknete in Ruhe).

Abbildung 3. Das viskoelastische Verhalten eines polymeren Materials lässt sich durch Verschränkungs- und Entschränkungsprozesse auf molekularer Ebene erklären. Letzteres führt zu einem überwiegend viskosen Verhalten.

Überwachung der viskoelastischen Eigenschaften von molekularen Schichten und Flüssigkeiten

Deshalb ist es hochinteressant, Materialien aus weicher Materie auf molekularer Ebene entwerfen und charakterisieren zu können. Dies kann mit einer oberflächenempfindlichen Technik wie QCM-D geschehen. Durch die Überwachung von f und D bei mehreren Obertönen können nicht nur Masse und Dicke der an der Oberfläche haftenden Molekülschicht, sondern auch die viskoelastischen Eigenschaften (elastischer Schermodul und Viskosität) ermittelt werden. Dies kann entweder für dünne Filme, die an der Sensoroberfläche haften, oder für Material in loser Schüttung geschehen, was z. B. im weiten Bereich der Rheologie und der Phasenübergänge von Nutzen ist. Durch die Überwachung der Änderungen der Viskoelastizität von Molekülschichten, die an der Oberfläche angebracht sind, können Prozesse wie Vernetzung, Quellung und andere Konformationsänderungen in Echtzeit und mit hoher Empfindlichkeit verfolgt werden.

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