如何用QCM-D來(lái)表征粘彈性

如何用QCM-D來(lái)表征粘彈性

 

作者簡(jiǎn)介：Gabriel Ohlsson擔(dān)任瑞典百歐林科技有限公司的應(yīng)用科學(xué)家和銷售經(jīng)理。他擁有查爾莫斯大學(xué)工程物理專業(yè)博士學(xué)位，就職于瑞典百歐林科技有限公司后花費(fèi)大量時(shí)間開發(fā)軟物質(zhì)傳感技術(shù)的應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中他使用的主要工具之一是耗散型石英晶體微量天平（QCM-D）技術(shù)。

 

 

木頭、冰塊和人體脊柱中的椎片有什么共同點(diǎn)？它們都是粘彈性材料。 粘彈性同時(shí)包含粘性和彈性性質(zhì)。 QCM-D是一種能夠表征分子薄膜和本體材料粘彈性的表面?zhèn)鞲屑夹g(shù)。

 

什么是粘彈性材料？

 

從天然生物結(jié)構(gòu)如組織、軟骨和皮膚到合成聚合物和混凝土等的許多材料具有粘彈性。粘彈性意味著材料在某種程度上表現(xiàn)為液體和固體材料，并且具有時(shí)間依賴性應(yīng)變。

 

粘度

粘度是描述流體對(duì)流動(dòng)的阻力，圖1.粘度越高，產(chǎn)生特定流動(dòng)所需的力越大。以蜂蜜和牛奶為例，蜂蜜具有較高的粘度。用帕斯卡∙秒（Pa·s）表示，蜂蜜的粘度為10帕·秒，是牛奶粘度(0.003帕·秒)的三千倍。 這就是為什么蜂蜜不像牛奶那樣容易流動(dòng)。

圖1.動(dòng)態(tài)粘度的定義：施加的剪切應(yīng)力與誘導(dǎo)流速梯度之間的比例關(guān)系。

彈性模量

彈性模量是描述固體材料抵抗形變的特征屬性，如圖2所示。彈性模量描述了某種外加的力如何使固體材料變形。彈性模量越高，就需要更大的力去引起一個(gè)給定的形變。例如，橡膠和金屬（某種程度上是彈性的）相比，金屬具有更大的彈性模量。

 

圖2.彈性剪切模量的定義：施加的力和引起的剪切形變之間的比例關(guān)系。

 

不同情況下的不同彈性模量

 

可用不同的彈性模量來(lái)描述稍有不同的應(yīng)力情況：

•  彈性（楊氏）模量給出單軸應(yīng)力下的應(yīng)變

•  體積模量提供了均勻壓縮的阻力

•  彈性剪切模量描述材料對(duì)剪切力的阻抗力

 

硬質(zhì)固體（如金剛石）具有非常高的彈性模量（剪切模量為478 GPa），這意味著需要較大的應(yīng)力來(lái)使材料發(fā)生形變。另一方面，較軟的固體例如鋁，具有較低的彈性模量（剪切模量為25GPa），因此需要較小的應(yīng)力來(lái)引起形變。

 

隨時(shí)間變化的材料行為

 

取決于施加的剪切應(yīng)力的大小和時(shí)間范圍，粘彈性材料可主要表現(xiàn)為偏粘性或偏彈性或粘性和彈性均等。例如，牙膏從管中擠出時(shí)表現(xiàn)為粘性材料，但在牙刷上靜止時(shí)主要是彈性的，因?yàn)樗�不�?huì)流動(dòng)。對(duì)于涂料也是如此，如果用油漆刷施加壓力，涂料就會(huì)散布在諸如墻壁上。但是當(dāng)涂料被靜置時(shí)，則會(huì)停留在墻壁上而不是落到地面上。另一個(gè)例子是玩面團(tuán)或“橡皮泥”，當(dāng)你將它在手掌之間滾動(dòng)并扔到地面而彈起時(shí)，它們大多是彈性的。相反，如果將它放在桌面上，它最終會(huì)以粘性的方式流動(dòng)。對(duì)這種粘彈性行為的解釋可以追溯到分子水平以及構(gòu)成油漆、牙膏或面團(tuán)的聚合物的纏繞。高度纏繞會(huì)導(dǎo)致偏彈性行為（靜置的牙膏或在壓力下彈起的面團(tuán)），而解纏繞則使材料具有偏粘性的特點(diǎn)（在應(yīng)力下的油漆或靜置時(shí)的面團(tuán)）。

圖3.聚合物材料的粘彈性行為可以通過(guò)分子水平上的纏繞和解纏過(guò)程來(lái)解釋。后者導(dǎo)致偏粘性行為。

 

監(jiān)測(cè)分子層和液體的粘彈性

 

這就是能夠在分子水平上設(shè)計(jì)和表征軟物質(zhì)材料非常有趣的原因�？梢允褂肣CM-D等表面?zhèn)鞲屑夹g(shù)來(lái)完成。通過(guò)在多個(gè)倍頻上監(jiān)測(cè)頻率（F）和耗散（D），不僅可以檢測(cè)表面所吸附的分子層的質(zhì)量和厚度，還可以得到粘彈性信息（彈性剪切模量和粘度）。這可以用于檢測(cè)吸附到芯片表面的薄膜或本體材料如用于廣泛的流變學(xué)和相轉(zhuǎn)變等應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)監(jiān)測(cè)吸附于表面的分子層的粘彈性變化，可以實(shí)時(shí)并高度靈敏地追蹤諸如交聯(lián)、溶脹、纏結(jié)、聚集和其他構(gòu)象變化等過(guò)程。