Wat hebben hout, ijs en de tussenwervelschijven in een menselijke ruggengraat met elkaar gemeen? Het zijn allemaal visco-elastische materialen. Visco-elasticiteit is een eigenschap waarbij tegelijkertijd sprake is van viskeuze en elastische eigenschappen. QCM-D is een oppervlaktegevoelige technologie die de visco-elastische eigenschappen van zowel dunne moleculaire films als bulkmaterialen kan karakteriseren.
Visco-elastische materialen gedragen zich zowel als een vloeistof als een vaste stof
Er zijn veel materialen die visco-elastische eigenschappen vertonen, variërend van natuurlijke biologische structuren zoals weefsel, kraakbeen en huid, tot synthetische polymeren en beton. Visco-elastisch zijn betekent dat het materiaal zich tot op zekere hoogte zowel als een vloeistof als een vast materiaal gedraagt, en dat het een tijdsafhankelijke rek heeft.
Viscositeit
Viscositeit beschrijft de stromingsweerstand van een vloeistof, figuur 1. Hoe hoger de viscositeit, hoe groter de kracht die nodig is om een bepaalde stroming op te wekken. Vergelijk bijvoorbeeld honing met melk, waarbij honing de hoogste viscositeit van de twee heeft. Gemeten in Pascal∙seconde (Pa-s) heeft honing een viscositeit van 10 Pa-s, dat is ongeveer drieduizend maal die van melk, die een viscositeit van 0,003 Pa-s heeft. En daarom vloeit honing niet zo gemakkelijk als melk.
Figuur 1. De definitie van dynamische viscositeit: de evenredigheid tussen toegepaste afschuifspanning en de geïnduceerde stroomsnelheidsgradiënt.
Elasticiteit
Elasticiteit is een materiaaleigenschap die de weerstand van een vast materiaal tegen vervorming beschrijft en wordt gegeven in Pa, figuur 2. De elasticiteit beschrijft hoe een bepaalde toegepaste kracht een vast materiaal zal doen vervormen, en hoe hoger de elasticiteit, hoe meer kracht nodig zal zijn om een bepaalde vervorming te veroorzaken. Denk bijvoorbeeld aan rubber in vergelijking met metaal (tot op zekere hoogte elastisch), waarbij het metaal de hoogste elasticiteit heeft.
Figuur 2. De definitie van elastische afschuivingsmodulus: de evenredigheid tussen de uitgeoefende kracht en de geïnduceerde afschuivingsvervorming.
Verschillende elastische moduli in verschillende situaties
Er zijn verschillende elastische moduli, die enigszins verschillende spanningssituaties beschrijven:
- De elastische (Young’s) modulus geeft de rek onder eenassige spanning
- De bulkmodulus geeft de weerstand tegen gelijkmatige samendrukking
- De elastische afschuifmodulus beschrijft de weerstand van een materiaal tegen een afschuifkracht
Harde vaste stoffen, zoals diamant, hebben zeer hoge elastische moduli (afschuifmodulus van 478 GPa), wat betekent dat een grote spanning nodig is om het materiaal te vervormen. Zachtere vaste stoffen, zoals aluminium, hebben daarentegen lagere elasticiteitsmoduli (afschuifmodulus van 25 GPa), omdat er minder spanning nodig is om vervorming op te wekken.
Het materiaalgedrag hangt af van de tijdschaal
Visco-elastische materialen kunnen zich overwegend als viskeus of overwegend als elastisch, of gelijkwaardig, gedragen, afhankelijk van de grootte en de tijdschaal van de uitgeoefende afschuifspanning. Bijvoorbeeld, tandpasta gedraagt zich als een viskeus materiaal wanneer het uit de tube wordt geknepen, maar overwegend elastisch wanneer het in rust op de tandenborstel ligt om er niet af te lopen. Hetzelfde geldt voor verf: als er met de verfkwast spanning op wordt uitgeoefend, verspreidt de verf zich over b.v. de muur, maar als men de verf laat rusten, heeft het de voorkeur dat deze op de muur blijft zitten zonder op de grond te lopen. Een ander voorbeeld is speelklei of “silly putty” dat, wanneer het tussen de handpalmen wordt gerold en op de grond wordt gegooid, gaat stuiteren en meestal elastisch werkt. Wanneer men het in plaats daarvan op een tafel laat rusten, zal het uiteindelijk op een stroperige manier beginnen te vloeien. De verklaring voor dit soort visco-elastisch gedrag kan worden teruggevoerd tot het moleculaire niveau en de verstrengeling van de polymeren waaruit de verf, tandpasta of het speelklei bestaat. Hoge verstrengeling resulteert in een overwegend elastisch gedrag (tandpasta in rust of speeldeeg onder spanning), terwijl onthechting een meer viskeus karakter aan het materiaal geeft (verf onder spanning of speeldeeg in rust).
Figuur 3. Het visco-elastische gedrag van een polymeermateriaal kan worden verklaard door verstrengelings- en ontwarringsprocessen op moleculair niveau. Dit laatste resulteert in een overwegend viskeus gedrag.
Monitoring van visco-elastische eigenschappen van moleculaire lagen en vloeistoffen
Daarom is het zeer interessant om zachte materie materialen op moleculair niveau te kunnen ontwerpen en karakteriseren. Dat kan met een oppervlaktegevoelige techniek zoals QCM-D. Door f en D bij meerdere boventonen te monitoren, kunnen niet alleen massa en dikte van de aan het oppervlak klevende moleculaire laag worden geëxtraheerd, maar ook de visco-elastische eigenschappen (elastische afschuifmodulus en viscositeit). Dit kan zowel worden gedaan voor dunne films die aan het sensoroppervlak zijn gehecht als voor materiaal in bulk, wat bijvoorbeeld van nut is op het brede gebied van reologie- en faseovergangstoepassingen. Door de veranderingen in visco-elasticiteit van aan het oppervlak gehechte moleculaire lagen te volgen, kunnen processen zoals verknoping, zwelling en andere conformatieveranderingen in real time en met hoge gevoeligheid worden gevolgd.
Download de tekst als pdf hieronder
