Vad har trä, is och diskarna i en mänsklig ryggrad gemensamt? De är alla viskoelastiska material. Viskoelasticitet är en egenskap som innefattar både viskösa och elastiska egenskaper på samma gång. QCM-D är en ytkänslig teknik som kan karakterisera de viskoelastiska egenskaperna hos såväl tunna molekylära filmer som bulkmaterial.
Viskoelastiska material beter sig både som en vätska och ett fast material
Det finns många material som uppvisar viskoelastiska egenskaper, allt från naturliga biologiska strukturer som vävnad, brosk och hud till syntetiska polymerer och betong. Att vara viskoelastisk innebär att materialet i viss utsträckning både beter sig som en vätska och ett fast material, och att det har en tidsberoende töjning.
Viskositet
Viskositeten beskriver en vätskas motstånd mot flödet, Figur 1. Ju högre viskositet, desto större kraft krävs för att generera ett visst flöde. Jämför till exempel honung med mjölk, där honung har den högsta viskositeten av de två. Mätt i Pascal∙sekund (Pa-s) har honung en viskositet på 10 Pa-s, vilket är ungefär tre tusen gånger större än mjölk som har en viskositet på 0,003 Pa-s. Och det är därför som honung inte flyter lika lätt som mjölk.
Figur 1. Definitionen av dynamisk viskositet: Proportionaliteten mellan applicerad skjuvspänning och den inducerade flödeshastighetsgradienten.
Elasticitet
Elasticitet är en materialkaraktäristisk egenskap som beskriver ett fast materials motståndskraft mot deformation och anges i Pa, figur 2. Elasticiteten beskriver hur en viss påförd kraft får ett fast material att deformeras, och ju högre elasticitet desto mer kraft krävs för att orsaka en viss deformation. Tänk till exempel på gummi jämfört med metall (elastiskt till viss grad), där metallen har den högsta elasticiteten.
Figur 2. Definitionen av elastisk skjuvmodul: Proportionaliteten mellan tillämpad kraft och den inducerade skjuvdeformationen.
Olika elastiska moduler i olika situationer
Det finns olika elastiska moduler som beskriver något olika spänningssituationer:
- Den elastiska (Young’s) modulen ger töjningen under enaxlig spänning
- Bulkmodulen ger motståndet mot jämn kompression
- Den elastiska skjuvningsmodulen beskriver ett materials motstånd mot en skjuvningskraft
Hårda fasta ämnen, som diamant, har mycket höga elastiska moduler (skjuvningsmodulen 478 GPa), vilket innebär att det krävs en stor spänning för att deformera materialet. Mjukare fasta material, såsom aluminium, har å andra sidan lägre elasticitetsmoduler (skjuvmodul på 25 GPa), eftersom det krävs mindre spänning för att framkalla deformation.
Materialets beteende beror på tidsskalan
Viskoelastiska material kan uppträda huvudsakligen som viskösa eller huvudsakligen som elastiska, eller lika, beroende på storleken och tidsskalan för den applicerade skjuvspänningen. Till exempel beter sig tandkräm som ett visköst material när den pressas ur tuben, men mestadels elastiskt när den vilar på tandborsten för att den inte ska rinna bort. Samma sak gäller för färg, om en spänning appliceras med penseln sprids färgen på t.ex. väggen, men när den lämnas i vila är det önskvärt att den stannar kvar på väggen utan att rinna ner på marken. Ett annat exempel är lekdeg eller ”silly putty” som när den rullas mellan handflatorna och kastas på marken kommer att studsa och fungera mest elastiskt. När den istället lämnas att vila på ett bord kommer den så småningom att börja flyta på ett trögflytande sätt. Förklaringen till denna typ av viskoelastiskt beteende kan spåras ner till den molekylära nivån och till sammanflätningen av de polymerer som utgör färgen, tandkrämen eller lekdegen. Hög förvirring resulterar i ett övervägande elastiskt beteende (tandkräm i vila eller lekdeg under stress), medan en avveckling av förvirringen ger materialet en mer viskös karaktär (färg under stress eller lekdeg i vila).
Figur 3. Det viskoelastiska beteendet hos ett polymermaterial kan förklaras av förvecklings- och avvecklingsprocesser på molekylär nivå. Det senare resulterar i ett övervägande visköst beteende.
Övervakning av viskoelastiska egenskaper hos molekylära skikt och vätskor
Detta är anledningen till att det är högintressant att kunna utforma och karakterisera material av mjuk materia på molekylär nivå. Det kan göras med en ytkänslig teknik som QCM-D. Genom att övervaka f och D vid flera övertoner kan inte bara massa och tjocklek hos det molekylära skiktet som fäster vid ytan extraheras, utan även de viskoelastiska egenskaperna (elastisk skjuvmodul och viskositet). Detta kan antingen göras för tunna filmer som fästs på sensorytan eller för material i bulk, vilket är användbart till exempel inom det breda området reologi och fasövergångstillämpningar. Genom att övervaka förändringarna i viskoelasticiteten hos molekylära skikt som fästs vid ytan kan processer som tvärbindning, svällning och andra konformationsförändringar följas i realtid och med hög känslighet.
Ladda ner texten som pdf nedan