如何用QCM-D來表征粘彈性

作者簡介：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分子水平上的纏繞和解纏過程來解釋。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。可以使用QCM-D等表面?zhèn)鞲屑夹g(shù)來完成。通過在多個(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)象變化等過程。