Co mają ze sobą wspólnego drewno, lód i krążki w ludzkim kręgosłupie? Wszystkie one są materiałami lepkosprężystymi. Lepkosprężystość to cecha obejmująca zarówno właściwości lepkie jak i sprężyste w tym samym czasie. QCM-D jest technologią powierzchniowo czułą, która może scharakteryzować właściwości lepkosprężyste cienkich warstw molekularnych, jak również materiałów sypkich.
Materiały lepkosprężyste zachowują się zarówno jak ciecz, jak i ciało stałe
Istnieje wiele materiałów, które wykazują właściwości lepkosprężyste, począwszy od naturalnych struktur biologicznych, takich jak tkanka, chrząstka i skóra, do syntetycznych polimerów i betonu. Bycie lepkosprężystym oznacza, że materiał w pewnym stopniu zachowuje się jak ciecz i ciało stałe, i że ma odkształcenie zależne od czasu.
Wiskoelastyczność
Wiskoelastyczność opisuje opór płynu w przepływie, Rysunek 1. Im wyższa lepkość, tym większa siła potrzebna do wygenerowania określonego przepływu. Porównaj na przykład miód z mlekiem, gdzie miód ma najwyższą lepkość spośród tych dwóch. Mierzona w paskalach na sekundę (Pa-s) lepkość miodu wynosi 10 Pa-s, czyli około trzy tysiące razy więcej niż lepkość mleka, którego lepkość wynosi 0,003 Pa-s. I właśnie dlatego miód nie płynie tak łatwo jak mleko.
Rysunek 1. Definicja lepkości dynamicznej: proporcjonalność między przyłożonym naprężeniem ścinającym a wywołanym gradientem prędkości przepływu.
Elastyczność
Elastyczność jest właściwością materiałową, która opisuje odporność materiału stałego na odkształcenia i jest podawana w Pa, rysunek 2. Sprężystość opisuje, w jaki sposób pewna przyłożona siła spowoduje odkształcenie materiału stałego, a im wyższa sprężystość, tym większa siła będzie wymagana do spowodowania danego odkształcenia. Na przykład, pomyśl o gumie w porównaniu z metalem (elastycznym do pewnego stopnia), gdzie metal ma najwyższą elastyczność.
Rysunek 2. Definicja modułu sprężystości przy ścinaniu: proporcjonalność pomiędzy przyłożoną siłą a wywołanym odkształceniem przy ścinaniu.
Różne moduły sprężystości w różnych sytuacjach
Istnieją różne moduły sprężystości, opisujące nieco inne sytuacje naprężeniowe:
- Moduł sprężystości (Younga) podaje odkształcenie przy naprężeniu jednoosiowym
- Moduł objętościowy podaje odporność na równomierne ściskanie
- Moduł sprężystości przy ścinaniu opisuje odporność materiału na działanie siły ścinającej
Twarde ciała stałe, takie jak diament, mają bardzo wysokie moduły sprężystości (moduł ścinania 478 GPa), co oznacza, że do odkształcenia materiału potrzebne jest duże naprężenie. Miększe ciała stałe, takie jak aluminium, z drugiej strony, mają niższe moduły sprężystości (moduł ścinania 25 GPa), ponieważ do wywołania deformacji wymagane jest mniejsze naprężenie.
Zachowanie materiału zależy od skali czasowej
Materiały wiskoelastyczne mogą zachowywać się głównie jako lepkie lub głównie jako sprężyste, lub w równym stopniu, w zależności od wielkości i skali czasowej przyłożonego naprężenia ścinającego. Na przykład, pasta do zębów zachowuje się jako materiał lepki, kiedy jest wyciskana z tubki, ale głównie jako elastyczny, kiedy spoczywa na szczoteczce do zębów, aby nie spłynęła. To samo dotyczy farby, jeżeli pędzel jest naprężony, farba rozprzestrzenia się np. na ścianę, ale kiedy jest pozostawiona w spoczynku, preferowane jest, aby pozostała na ścianie bez spływania na ziemię. Innym przykładem jest ciasto do zabawy lub „silly putty”, które po rozwałkowaniu między dłońmi i rzuceniu na ziemię będzie się odbijać i zachowywać się głównie elastycznie. Kiedy natomiast pozostawi się je na stole, zacznie w końcu płynąć w sposób lepki. Wyjaśnienie tego rodzaju lepkosprężystego zachowania można znaleźć na poziomie molekularnym, w splątaniu polimerów tworzących farbę, pastę do zębów lub ciasto do zabawy. Wysokie splątanie skutkuje głównie elastycznym zachowaniem (pasta do zębów w stanie spoczynku lub ciasto do zabawy w stanie naprężenia), podczas gdy rozplątanie nadaje materiałowi bardziej lepki charakter (farba w stanie naprężenia lub ciasto do zabawy w stanie spoczynku).
Rysunek 3. Zachowanie lepkosprężyste materiału polimerowego może być wyjaśnione przez procesy splątania i rozplątania na poziomie molekularnym. To ostatnie skutkuje głównie lepkim zachowaniem.
Monitorowanie właściwości lepkosprężystych warstw molekularnych i cieczy
Dlatego bardzo interesująca jest możliwość projektowania i charakteryzowania materiałów miękkiej materii na poziomie molekularnym. Można to zrobić za pomocą techniki powierzchniowo czułej, takiej jak QCM-D. Poprzez monitorowanie f i D przy wielu overtonach, nie tylko masa i grubość warstwy molekularnej przylegającej do powierzchni może być wyodrębniona, ale także właściwości lepkosprężyste (moduł sprężystości przy ścinaniu i lepkość). Można to zrobić zarówno dla cienkich warstw przylegających do powierzchni czujnika, jak i dla materiału luzem, co jest przydatne na przykład w szerokim obszarze zastosowań reologii i przemian fazowych. Dzięki monitorowaniu zmian lepkosprężystości warstw molekularnych przytwierdzonych do powierzchni, procesy takie jak sieciowanie, pęcznienie i inne zmiany konformacyjne mogą być śledzone w czasie rzeczywistym i z wysoką czułością.
Pobierz tekst jako pdf poniżej
