¿Qué es un material viscoelástico?

¿Qué tienen en común la madera, el hielo y los discos de la columna vertebral humana? Todos son materiales viscoelásticos. La viscoelasticidad es una cualidad que implica propiedades viscosas y elásticas al mismo tiempo. La QCM-D es una tecnología sensible a la superficie que puede caracterizar las propiedades viscoelásticas de las películas moleculares delgadas, así como de los materiales a granel.

Los materiales viscoelásticos se comportan tanto como un líquido como un sólido

Hay muchos materiales que presentan propiedades viscoelásticas, desde las estructuras biológicas naturales, como los tejidos, los cartílagos y la piel, hasta los polímeros sintéticos y el hormigón. Ser viscoelástico significa que el material se comporta hasta cierto punto como un líquido y como un material sólido, y que tiene una deformación dependiente del tiempo.

Viscosidad

La viscosidad describe la resistencia de un fluido al flujo, Figura 1. Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la fuerza necesaria para generar un flujo específico. Compare, por ejemplo, la miel con la leche, donde la miel tiene la mayor viscosidad de las dos. Medida en Pascal∙segundo (Pa-s), la miel tiene una viscosidad de 10 Pa-s, lo que supone unas tres mil veces la de la leche, que tiene una viscosidad de 0,003 Pa-s. Y esta es la razón por la que la miel no fluye tan fácilmente como la leche.

Figura 1. La definición de viscosidad dinámica: la proporcionalidad entre el esfuerzo cortante aplicado y el gradiente de velocidad de flujo inducido.

Elasticidad

La elasticidad es una propiedad característica de los materiales que describe la resistencia de un material sólido a la deformación y viene dada en Pa, Figura 2. La elasticidad describe cómo una determinada fuerza aplicada hará que un material sólido se deforme, y cuanto mayor sea la elasticidad, más fuerza será necesaria para causar una determinada deformación. Por ejemplo, piense en el caucho comparado con el metal (elástico hasta cierto punto), donde el metal tiene la mayor elasticidad.

Figura 2. La definición de módulo de cizallamiento elástico: la proporcionalidad entre la fuerza aplicada y la deformación de cizallamiento inducida.

Diferentes módulos elásticos en diferentes situaciones

Existen diferentes módulos elásticos, que describen situaciones de esfuerzo ligeramente diferentes:

• El módulo elástico (de Young) da la deformación bajo tensión uniaxial
• El módulo de masa da la resistencia a la compresión uniforme
• El módulo elástico de cizallamiento describe la resistencia de un material a una fuerza de cizallamiento

Los sólidos duros, como el diamante, tienen módulos elásticos muy altos (módulo de cizallamiento de 478 GPa), lo que significa que se requiere una gran tensión para deformar el material. Los sólidos más blandos, como el aluminio, en cambio, tienen módulos elásticos más bajos (módulo de cizallamiento de 25 GPa), ya que se requiere una menor tensión para inducir la deformación.

El comportamiento del material depende de la escala de tiempo

Los materiales viscoelásticos pueden comportarse predominantemente como viscosos o predominantemente como elásticos, o igual, dependiendo de la magnitud y la escala de tiempo de la tensión de cizallamiento aplicada. Por ejemplo, la pasta de dientes se comporta como un material viscoso cuando se exprime del tubo, pero mayoritariamente elástico cuando está en reposo en el cepillo de dientes para que no se escurra. Lo mismo ocurre con la pintura, si se aplica una tensión con el pincel, la pintura se extiende sobre, por ejemplo, la pared, pero cuando se deja en reposo se prefiere que permanezca en la pared sin escurrirse hacia el suelo. Otro ejemplo es la plastilina o «silly putty», que cuando se hace rodar entre las palmas de las manos y se lanza al suelo rebota y actúa sobre todo de forma elástica. En cambio, si se deja reposar en una mesa, acabará fluyendo de forma viscosa. La explicación a este tipo de comportamiento viscoelástico se encuentra en el nivel molecular y en el entrelazamiento de los polímeros que constituyen la pintura, la pasta de dientes o la plastilina. Un alto entrelazamiento da lugar a un comportamiento predominantemente elástico (pasta de dientes en reposo o plastilina bajo tensión), mientras que el desentrelazamiento da un carácter más viscoso al material (pintura bajo tensión o plastilina en reposo).



Figura 3. El comportamiento viscoelástico de un material polimérico puede explicarse mediante procesos de enredo y desenredo a nivel molecular. Estos últimos dan lugar a un comportamiento predominantemente viscoso.

Monitoreo de las propiedades viscoelásticas de las capas moleculares y de los líquidos

Por eso es altamente interesante poder diseñar y caracterizar los materiales de materia blanda a nivel molecular. Se puede hacer con una técnica sensible a la superficie como la QCM-D. Mediante la monitorización de f y D en múltiples sobretonos, no sólo se puede extraer la masa y el grosor de la capa molecular adherida a la superficie, sino también las propiedades viscoelásticas (módulo de corte elástico y viscosidad). Esto puede hacerse tanto para las películas finas adheridas a la superficie del sensor como para el material a granel, lo que resulta útil en el amplio campo de las aplicaciones de reología y transición de fase, por ejemplo. Mediante la monitorización de los cambios en la viscoelasticidad de las capas moleculares adheridas a la superficie, se pueden seguir en tiempo real y con alta sensibilidad procesos como la reticulación, el hinchamiento y otros cambios conformacionales.

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