Cosa hanno in comune il legno, il ghiaccio e i dischi della spina dorsale umana? Sono tutti materiali viscoelastici. La viscoelasticità è una qualità che comporta proprietà viscose ed elastiche allo stesso tempo. Il QCM-D è una tecnologia sensibile alla superficie che può caratterizzare le proprietà viscoelastiche dei film molecolari sottili e dei materiali sfusi.
I materiali viscoelastici si comportano sia come un liquido che come un solido
Ci sono molti materiali che mostrano proprietà viscoelastiche, dalle strutture biologiche naturali come i tessuti, la cartilagine e la pelle, ai polimeri sintetici e al cemento. Essere viscoelastico significa che il materiale in qualche misura si comporta sia come un liquido che come un materiale solido, e che ha una deformazione dipendente dal tempo.
Viscosità
La viscosità descrive la resistenza dei fluidi al flusso, Figura 1. Più alta è la viscosità, maggiore è la forza necessaria per generare un flusso specifico. Confronta per esempio il miele con il latte, dove il miele ha la più alta viscosità dei due. Misurata in Pascal∙secondo (Pa-s), il miele ha una viscosità di 10 Pa-s, che è circa tremila volte quella del latte che ha una viscosità di 0,003 Pa-s. Ed è per questo che il miele non scorre così facilmente come il latte.
Figura 1. La definizione di viscosità dinamica: la proporzionalità tra lo sforzo di taglio applicato e il gradiente di velocità di flusso indotto.
Elasticità
L’elasticità è una proprietà caratteristica del materiale che descrive la resistenza di un materiale solido alla deformazione ed è data in Pa, Figura 2. L’elasticità descrive come una certa forza applicata farà deformare un materiale solido, e più alta è l’elasticità, più forza sarà necessaria per causare una data deformazione. Per esempio, si pensi alla gomma rispetto al metallo (elastico fino a un certo punto), dove il metallo ha la massima elasticità.
Figura 2. La definizione di modulo elastico di taglio: la proporzionalità tra la forza applicata e la deformazione di taglio indotta.
Moduli elastici diversi in situazioni diverse
Ci sono diversi moduli elastici, che descrivono situazioni di stress leggermente diverse:
- Il modulo elastico (di Young) dà la deformazione sotto sforzo monoassiale
- Il modulo di massa dà la resistenza alla compressione uniforme
- Il modulo elastico di taglio descrive la resistenza di un materiale ad una forza di taglio
I solidi duri, come il diamante, hanno moduli elastici molto alti (modulo di taglio di 478 GPa), il che significa che è necessario un grande sforzo per deformare il materiale. I solidi più morbidi, come l’alluminio, d’altra parte, hanno moduli elastici più bassi (modulo di taglio di 25 GPa), poiché è richiesto un minore stress per indurre la deformazione.
Il comportamento del materiale dipende dalla scala temporale
I materiali viscoelastici possono comportarsi prevalentemente come viscosi o prevalentemente come elastici, o uguali, a seconda della grandezza e della scala temporale dello stress di taglio applicato. Per esempio, il dentifricio si comporta come un materiale viscoso quando viene spremuto dal tubetto, ma prevalentemente elastico quando è a riposo sullo spazzolino da denti per non colare via. Lo stesso vale per la vernice, se viene applicata una sollecitazione con il pennello, la vernice si sparge, ad esempio, sul muro, ma quando viene lasciata a riposo è preferibile che rimanga sul muro senza colare a terra. Un altro esempio è la pasta da gioco o “silly putty” che se arrotolata tra i palmi delle mani e gettata a terra rimbalza e si comporta in modo prevalentemente elastico. Quando invece viene lasciata a riposare su un tavolo, alla fine comincerà a scorrere in modo viscoso. La spiegazione di questo tipo di comportamento viscoelastico può essere rintracciata fino al livello molecolare, e l’intreccio dei polimeri che costituiscono la vernice, il dentifricio o la pasta da gioco. Un alto entanglement si traduce in un comportamento prevalentemente elastico (dentifricio a riposo o pasta gioco sotto sforzo), mentre il disentanglement dà un carattere più viscoso al materiale (vernice sotto sforzo o pasta gioco a riposo).
Figura 3. Il comportamento viscoelastico di un materiale polimerico può essere spiegato da processi di entanglement e disentanglement a livello molecolare. Quest’ultimo risulta in un comportamento prevalentemente viscoso.
Monitoraggio delle proprietà viscoelastiche di strati molecolari e liquidi
Questo è il motivo per cui è molto interessante essere in grado di progettare e caratterizzare i materiali in materia morbida a livello molecolare. Questo può essere fatto con una tecnica sensibile alla superficie come la QCM-D. Monitorando f e D a più sovratoni, non solo la massa e lo spessore dello strato molecolare aderente alla superficie possono essere estratti, ma anche le proprietà viscoelastiche (modulo di taglio elastico e viscosità). Questo potrebbe essere fatto sia per i film sottili attaccati alla superficie del sensore sia per il materiale alla rinfusa, che è di uso nel vasto campo della reologia e delle applicazioni di transizione di fase, per esempio. Monitorando i cambiamenti nella viscoelasticità degli strati molecolari attaccati alla superficie, processi come la reticolazione, il rigonfiamento e altri cambiamenti conformazionali possono essere seguiti in tempo reale e con alta sensibilità.
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