O que têm em comum a madeira, o gelo e os discos de uma coluna humana? Todos eles são materiais viscoelásticos. Viscoelasticidade é uma qualidade que envolve tanto propriedades viscosas como elásticas ao mesmo tempo. QCM-D é uma tecnologia sensível à superfície que pode caracterizar as propriedades viscoelásticas de filmes moleculares finos bem como de materiais a granel.
Materiais viscoelásticos comportam-se tanto como um líquido como um sólido
Há muitos materiais que apresentam propriedades viscoelásticas, desde estruturas biológicas naturais como tecidos, cartilagens e pele, até polímeros sintéticos e concreto. Ser viscoelástico significa que o material, até certo ponto, ambos se comportam como um líquido e um material sólido, e que tem uma tensão dependente do tempo.
Viscosidade
Viscosidade descreve uma resistência do fluido ao fluxo, Figura 1. Quanto maior a viscosidade, maior é a força necessária para gerar um fluxo específico. Compare, por exemplo, o mel com o leite, onde o mel tem a maior viscosidade dos dois. Medido em Pascal∙second (Pa-s), o mel tem uma viscosidade de 10 Pa-s, que é cerca de três mil vezes a do leite, que tem uma viscosidade de 0,003 Pa-s. E é por isso que o mel não flui tão facilmente como o leite.
Figure 1. A definição de viscosidade dinâmica: a proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento aplicada e o gradiente de velocidade de fluxo induzido.
Elasticidade
Elasticidade é uma propriedade material-característica que descreve a resistência de um material sólido à deformação e é dada em Pa, Figura 2. A elasticidade descreve como uma certa força aplicada fará um material sólido deformar, e quanto maior a elasticidade, mais força será necessária para causar uma determinada deformação. Por exemplo, pense na borracha em comparação com o metal (elástico em algum grau), onde o metal tem a maior elasticidade.
Figure 2. A definição do módulo de cisalhamento elástico: a proporcionalidade entre a força aplicada e a deformação de cisalhamento induzida.
Diferentes módulos elásticos em diferentes situações
Existem diferentes módulos elásticos, descrevendo situações de tensão ligeiramente diferentes:
- O módulo elástico (Young) dá a deformação sob tensão uniaxial
- O módulo de massa dá a resistência à compressão uniforme
- O módulo de cisalhamento elástico descreve a resistência de um material a uma força de cisalhamento
Os sólidos duros, como o diamante, têm módulos elásticos muito altos (módulo de cisalhamento de 478 GPa), o que significa que uma grande tensão é necessária para deformar o material. Os sólidos mais macios, como o alumínio, por outro lado, possuem modulos elásticos mais baixos (módulo de cisalhamento de 25 GPa), já que é necessária menos tensão para induzir deformação.
O comportamento do material depende da escala de tempo
Os materiais elásticos podem se comportar predominantemente como viscosos ou predominantemente como elásticos, ou iguais, dependendo da magnitude e da escala de tempo da tensão de cisalhamento aplicada. Por exemplo, a pasta de dentes comporta-se como um material viscoso quando espremida do tubo, mas principalmente elástica quando em repouso na escova de dentes para que esta não escorra. O mesmo se aplica à tinta, se for aplicada uma tensão com a escova, a tinta espalha-se, por exemplo, na parede, mas quando é deixada em repouso, é preferível que fique na parede sem escorregar para o chão. Outro exemplo é a massa de jogo ou “massa de massa tola” que, quando enrolada entre as palmas das mãos e atirada ao chão, salta e age principalmente de forma elástica. Quando, em vez disso, é deixada a descansar em uma mesa, ela eventualmente começará a fluir de forma viscosa. A explicação para este tipo de comportamento viscoelástico pode ser traçada até o nível molecular, e o emaranhado dos polímeros que constituem a tinta, pasta de dentes ou massa de modelar. O emaranhado elevado resulta num comportamento predominantemente elástico (pasta de dentes em repouso ou massa de jogo sob tensão), enquanto que o desembaraço dá um carácter mais viscoso ao material (tinta sob tensão ou massa de jogo em repouso).
Figure 3. O comportamento viscoelástico de um material polimérico pode ser explicado por processos de enredamento e desenredamento a nível molecular. Este último resulta num comportamento predominantemente viscoso.
Monitorização das propriedades viscoelásticas das camadas moleculares e dos líquidos
É por isso que é altamente interessante ser capaz de desenhar e caracterizar materiais de matéria macia a nível molecular. Isso pode ser feito com uma técnica sensível à superfície, como o QCM-D. Monitorando f e D em múltiplos tons, não só a massa e espessura da camada molecular aderente superficial pode ser extraída, mas também as propriedades viscoelásticas (módulo de cisalhamento elástico e viscosidade). Isto pode ser feito, por exemplo, para filmes finos presos à superfície do sensor ou para material a granel, que é de uso no amplo campo da reologia e aplicações de transição de fase. Ao monitorar as mudanças de viscoelasticidade das camadas moleculares presas à superfície, processos como reticulação, inchaço e outras mudanças conformacionais podem ser seguidos em tempo real e com alta sensibilidade.
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