Ce au în comun lemnul, gheața și discurile din coloana vertebrală umană? Toate sunt materiale viscoelastice. Viscoelasticitatea este o calitate care implică atât proprietăți vâscoase, cât și elastice în același timp. QCM-D este o tehnologie sensibilă la suprafață care poate caracteriza proprietățile vâscoelastice ale filmelor moleculare subțiri, precum și ale materialelor în vrac.
Materialele vâscoelastice se comportă atât ca un lichid, cât și ca un solid
Există multe materiale care prezintă proprietăți vâscoelastice, de la structuri biologice naturale, cum ar fi țesutul, cartilajul și pielea, până la polimeri sintetici și beton. A fi vâscoelastic înseamnă că materialul se comportă, într-o anumită măsură, atât ca un material lichid, cât și ca un material solid și că are o deformație în funcție de timp.
Vâscozitatea
Vâscozitatea descrie rezistența unui fluid la curgere, Figura 1. Cu cât vâscozitatea este mai mare, cu atât mai mare este forța necesară pentru a genera un anumit debit. Comparați, de exemplu, mierea cu laptele, unde mierea are cea mai mare vâscozitate dintre cele două. Măsurată în Pascal∙secundă (Pa-s), mierea are o vâscozitate de 10 Pa-s, care este de aproximativ trei mii de ori mai mare decât cea a laptelui, care are o vâscozitate de 0,003 Pa-s. Și acesta este motivul pentru care mierea nu curge la fel de ușor ca și laptele.
Figura 1. Definiția vâscozității dinamice: proporționalitatea dintre tensiunea de forfecare aplicată și gradientul de viteză de curgere indus.
Elasticitatea
Elasticitatea este o proprietate caracteristică a unui material care descrie rezistența la deformare a unui material solid și este dată în Pa, Figura 2. Elasticitatea descrie modul în care o anumită forță aplicată va face ca un material solid să se deformeze, iar cu cât elasticitatea este mai mare, cu atât mai multă forță va fi necesară pentru a provoca o anumită deformare. De exemplu, gândiți-vă la cauciuc în comparație cu metalul (elastic într-o anumită măsură), unde metalul are cea mai mare elasticitate.
Figura 2. Definiția modulului elastic de forfecare: proporționalitatea dintre forța aplicată și deformarea de forfecare indusă.
Moduli elastici diferiți în situații diferite
Există module elastice diferite, care descriu situații de solicitare ușor diferite:
- Modululul elastic (Young) dă deformația sub tensiune uniaxială
- Modulul de încărcare dă rezistența la compresiune uniformă
- Modulul elastic de forfecare descrie rezistența unui material la o forță de forfecare
Solidele dure, cum ar fi diamantul, au module elastice foarte mari (modulul de forfecare de 478 GPa), ceea ce înseamnă că este necesară o tensiune mare pentru a deforma materialul. Pe de altă parte, solidele mai moi, cum ar fi aluminiul, au module elastice mai mici (modul de forfecare de 25 GPa), deoarece este necesară o tensiune mai mică pentru a induce deformarea.
Comportamentul materialului depinde de scara de timp
Materialele vâscoelastice se pot comporta predominant ca fiind vâscoase sau predominant ca fiind elastice, sau egale, în funcție de magnitudinea și scara de timp a efortului de forfecare aplicat. De exemplu, pasta de dinți se comportă ca un material vâscos atunci când este stoarsă din tub, dar preponderent elastic atunci când se află în repaus pe periuța de dinți pentru a nu se scurge. Același lucru este valabil și pentru vopsea, dacă se aplică o tensiune cu ajutorul pensulei, vopseaua se împrăștie, de exemplu, pe perete, dar atunci când este lăsată în repaus este de preferat ca aceasta să rămână pe perete fără să se scurgă pe sol. Un alt exemplu este aluatul de joacă sau „silly putty” care, atunci când este rulat între palme și aruncat pe jos, va sări și se va comporta în mare parte elastic. În schimb, atunci când este lăsat să se odihnească pe o masă, va începe în cele din urmă să curgă în mod vâscos. Explicația acestui tip de comportament vâscoelastic poate fi urmărită până la nivel molecular și la încâlcirea polimerilor care alcătuiesc vopseaua, pasta de dinți sau plastilina. Un grad ridicat de încurcare determină un comportament predominant elastic (pastă de dinți în repaus sau plastilină sub tensiune), în timp ce descurcarea conferă materialului un caracter mai vâscos (vopsea sub tensiune sau plastilină în repaus).
Figura 3. Comportamentul vâscoelastic al unui material polimeric poate fi explicat prin procese de încurcare și dezîncurcare la nivel molecular. Acesta din urmă are ca rezultat un comportament predominant vâscos.
Monitorizarea proprietăților vâscoelastice ale straturilor moleculare și ale lichidelor
De aceea, este extrem de interesant să se poată proiecta și caracteriza materialele din materie moale la nivel molecular. Acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unei tehnici sensibile la suprafață, cum ar fi QCM-D. Prin monitorizarea f și D la mai multe supratonuri, pot fi extrase nu numai masa și grosimea stratului molecular care aderă la suprafață, ci și proprietățile viscoelastice (modulul de forfecare elastic și vâscozitatea). Acest lucru ar putea fi realizat fie pentru pelicule subțiri atașate la suprafața senzorului, fie pentru materialul în vrac, ceea ce este util, de exemplu, în domeniul larg al aplicațiilor de reologie și de tranziție de fază. Prin monitorizarea modificărilor de viscoelasticitate ale straturilor moleculare atașate la suprafață, pot fi urmărite în timp real și cu o sensibilitate ridicată procese precum reticulația, umflarea și alte modificări conformaționale.
Descărcați textul în format pdf de mai jos