木、氷、そして人間の背骨の円盤に共通するものは何でしょうか。 それらはすべて粘弾性体である。 粘弾性とは、粘性と弾性の両方の性質を同時に持つ性質です。
粘弾性材料は、液体のようにも固体のようにも振る舞います
組織、軟骨、皮膚などの天然の生物学的構造から合成ポリマーやコンクリートまで、粘弾性特性を示す材料は数多く存在します。
粘性
粘性は流体に対する抵抗力を表します (図
図1.ハチミツと牛乳の違い
ハチミツの粘性は10Pa・sと、牛乳の0.003Pa・sの約3000倍です。 動的粘度の定義: 加えられたせん断応力と誘発された流速勾配の間の比例関係
弾性
弾性は、固体材料の変形に対する抵抗を表す材料特性で、図 2 の Pa で与えられます。 弾性は、ある力を加えると固体材料がどのように変形するかを記述し、弾性が高いほど、ある変形を引き起こすのに多くの力が必要になる。 例えば、ゴムと金属（ある程度弾性がある）を比べると、金属が最も高い弾性を持っていると考えることができる。
図2.ゴムと金属（ある程度弾性がある）、金属と金属（ある程度弾性がある）を比べると、金属が最も高い弾性をもっていると考えることができる。 弾性せん断弾性率の定義：加えられた力と誘発されたせん断変形の間の比例関係。
状況によって異なる弾性係数
異なる弾性係数があり、わずかに異なる応力状況を記述しています。
- 弾性 (ヤング) 係数は単軸応力下の歪みを与え
- 体積弾性率は均一圧縮に対する抵抗を与え
- 弾性せん断係数は、せん断力に対する材料の抵抗を表します
ダイヤモンドなどの固体は非常に高い弾性率 (478 GPa のせん断係数 ) を持っているので、材料を変形させるには大きな力が必要であることを示しています。
材料の挙動は時間スケールによって異なります
粘弾性材料は、加えられたせん断応力の大きさと時間スケールによって、主に粘性として、または主に弾性として、あるいは同等に挙動することができます。 たとえば、歯磨き粉は、チューブから絞り出すときは粘性材料として振る舞いますが、歯ブラシの上で静止しているときは、流れ落ちないように大部分が弾性材料として振る舞います。 絵の具も同様で、絵筆で応力を加えると、絵の具は例えば壁に広がりますが、静止しているときは地面に流れ落ちず、壁に留まっていることが好ましいとされています。 他の例としては、手のひらの間で転がして地面に投げつけると弾んでほとんど弾性的に作用するプレイドウや「シリー・パテ」があります。 しかし、机の上に置いておくと、やがて粘性を帯びて流れ始めます。 このような粘弾性挙動を説明するには、絵の具、歯磨き粉、粘土を構成する高分子の絡み合いを分子レベルで解明する必要がある。 絡み合いが強いと、主に弾性的な挙動 (静止状態の歯磨き粉または応力下の遊び生地) になり、絡み合いが弱いと、材料に粘性の特徴が出ます (応力下のペンキまたは静止状態の遊び生地)。 高分子材料の粘弾性挙動は、分子レベルでの絡み合いと解離のプロセスによって説明することができる。
分子層と液体の粘弾性特性のモニタリング
このような理由から、ソフトマター材料を分子レベルで設計し、特性評価できることは非常に興味深いのです。 それはQCM-Dのような表面感度の高い技術で行うことができる。 複数の倍音でfとDをモニターすることで、表面に付着した分子層の質量や厚みだけでなく、粘弾性特性（弾性せん断係数や粘度）を抽出することができる。 これは、センサー表面に付着した薄膜に対しても、バルクの材料に対しても可能であり、例えば、レオロジーや相転移の広い分野で利用されている。 表面に付着した分子層の粘弾性変化をモニターすることで、架橋、膨潤、その他のコンフォメーション変化などのプロセスをリアルタイムかつ高感度で追跡することが可能である。
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