Mi a közös a fában, a jégben és az emberi gerinc porckorongjaiban? Mindegyikük viszkoelasztikus anyag. A viszkoelaszticitás olyan tulajdonság, amely egyszerre tartalmaz viszkózus és rugalmas tulajdonságokat. A QCM-D egy felületérzékeny technológia, amely képes jellemezni a vékony molekuláris filmek és az ömlesztett anyagok viszkoelasztikus tulajdonságait.
A viszkoelasztikus anyagok egyszerre viselkednek folyadékként és szilárdként
A természetes biológiai szerkezetektől kezdve, mint a szövet, a porc és a bőr, a szintetikus polimerekig és a betonig számos anyag mutat viszkoelasztikus tulajdonságokat. Viszkoelasztikusnak lenni azt jelenti, hogy az anyag bizonyos mértékig egyszerre viselkedik folyadékként és szilárd anyagként, és időfüggő alakváltozással rendelkezik.
Viszkozitás
A viszkozitás egy folyadék áramlási ellenállását írja le, 1. ábra. Minél nagyobb a viszkozitás, annál nagyobb erő szükséges egy adott áramlás létrehozásához. Hasonlítsuk össze például a mézet a tejjel, ahol a méznek van a legnagyobb viszkozitása a kettő közül. Pascal/másodpercben (Pa-s) mérve a méz viszkozitása 10 Pa-s, ami körülbelül háromezerszerese a tejének, amelynek viszkozitása 0,003 Pa-s. És ez az oka annak, hogy a méz nem folyik olyan könnyen, mint a tej.
1. ábra. A dinamikus viszkozitás definíciója: az alkalmazott nyírófeszültség és az indukált áramlási sebességgradiens közötti arányosság.
Elaszticitás
Az elaszticitás egy anyagjellemző tulajdonság, amely egy szilárd anyag deformációval szembeni ellenállását írja le, és Pa-ban van megadva, 2. ábra. A rugalmasság azt írja le, hogy egy bizonyos alkalmazott erő hogyan deformálja a szilárd anyagot, és minél nagyobb a rugalmasság, annál nagyobb erőre van szükség egy adott deformáció előidézéséhez. Gondoljunk például a gumira a fémmel összehasonlítva (bizonyos mértékig rugalmas), ahol a fémnek van a legnagyobb rugalmassága.
2. ábra. A rugalmas nyírási modulus meghatározása: az alkalmazott erő és az indukált nyírási alakváltozás közötti arányosság.
Eltérő rugalmassági modulusok különböző helyzetekben
Vannak különböző rugalmassági modulusok, amelyek kissé eltérő feszültségi helyzeteket írnak le:
- A rugalmassági (Young-modul) az egytengelyű feszültség alatti alakváltozást adja meg
- A tömegmodul az egyenletes összenyomással szembeni ellenállást adja meg
- A nyírási rugalmassági modulus az anyag nyíróerővel szembeni ellenállását írja le
A kemény szilárd anyagok, például a gyémánt, nagyon magas rugalmassági modulussal rendelkeznek (a nyírási modulus 478 GPa), ami azt jelenti, hogy nagy feszültség szükséges az anyag alakváltozásához. A puhább szilárd anyagok, mint például az alumínium, ezzel szemben alacsonyabb rugalmassági modulusokkal rendelkeznek (25 GPa nyírási modulus), mivel kisebb feszültség szükséges a deformáció előidézéséhez.
Az anyag viselkedése az időskálától függ
A viszkozelasztikus anyagok viselkedhetnek túlnyomórészt viszkózusan vagy túlnyomórészt rugalmasan, vagy egyenlő mértékben, az alkalmazott nyírófeszültség nagyságától és időskálájától függően. Például a fogkrém a tubusból kinyomva viszkózus anyagként viselkedik, de a fogkefén nyugalmi állapotban túlnyomórészt rugalmasan, hogy ne folyjon le. Ugyanez igaz a festékre is, ha az ecsettel feszültséget alkalmazunk, a festék szétterül pl. a falon, de ha nyugalomban hagyjuk, akkor előnyös, ha a falon marad, és nem folyik le a földre. Egy másik példa a játéktészta vagy a “buta gyurma”, amelyet ha a tenyerünk között meghempergetünk és a földre dobunk, pattogni fog, és többnyire rugalmasan viselkedik. Ha ehelyett az asztalon hagyjuk pihenni, végül viszkózusan folyni kezd. Az ilyen viszkoelasztikus viselkedés magyarázata a molekuláris szintre vezethető vissza, és a festéket, fogkrémet vagy játéktésztát alkotó polimerek összefonódására. A nagyfokú összefonódás túlnyomórészt rugalmas viselkedést eredményez (fogkrém nyugalmi állapotban vagy játszó tészta feszültség alatt), míg az összefonódás feloldása viszkózusabb jelleget kölcsönöz az anyagnak (festék feszültség alatt vagy játszó tészta nyugalmi állapotban).
3. ábra. Egy polimer anyag viszkoelasztikus viselkedése molekuláris szinten az összefonódási és szétfonódási folyamatokkal magyarázható. Ez utóbbi túlnyomórészt viszkózus viselkedést eredményez.
Molekuláris rétegek és folyadékok viszkoelasztikus tulajdonságainak megfigyelése
Ezért rendkívül érdekes, hogy a lágy anyagok molekuláris szinten tervezhetők és jellemezhetők legyenek. Ezt olyan felületérzékeny technikával lehet elvégezni, mint a QCM-D. Az f és D több felhangon történő megfigyelésével nemcsak a felületen tapadó molekularéteg tömege és vastagsága nyerhető ki, hanem a viszkoelasztikus tulajdonságok (rugalmas nyírási modulus és viszkozitás) is. Ez történhet akár az érzékelő felületére tapadó vékony filmek, akár az ömlesztett anyag esetében, ami például a reológiai és fázisátalakulási alkalmazások széles területén hasznos lehet. A felületre rögzített molekularétegek viszkoelaszticitásának változását nyomon követve valós időben és nagy érzékenységgel követhetők az olyan folyamatok, mint a térhálósodás, a duzzadás és egyéb konformációs változások.
Töltse le a szöveget pdf formátumban alább
