如何用QCM-D來表征粘彈性

作者簡介：Gabriel Ohlsson擔任瑞典百歐林科技有限公司的應用科學家和銷售經理。他擁有查爾莫斯大學工程物理專業博士學位，就職于瑞典百歐林科技有限公司后花費大量時間開發軟物質傳感技術的應用。在這項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。

木頭、冰塊和人體脊柱中的椎片有什么共同點？它們都是粘彈性材料。 粘彈性同時包含粘性和彈性性質。 QCM-D是一種能夠表征分子薄膜和本體材料粘彈性的表面傳感技術。

什么是粘彈性材料？

從天然生物結構如組織、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為液體和固體材料，并且具有時間依賴性應變。

粘度

粘度是描述流體對流動的阻力，圖1.粘度越高，產生特定流動所需的力越大。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。

圖1.動態粘度的定義：施加的剪切應力與誘導流速梯度之間的比例關系。

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力情況：

•  彈性（楊氏）模量給出單軸應力下的應變

•  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剪切力的阻抗力

硬質固體（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力來使材料發生形變。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），因此需要較小的應力來引起形變。

隨時間變化的材料行為

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

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。后者導致偏粘性行為。

監測分子層和液體的粘彈性

這就是能夠在分子水平上設計和表征軟物質材料非常有趣的原因。可以使用QCM-D等表面傳感技術來完成。通過在多個倍頻上監測頻率（F）和耗散（D），不僅可以檢測表面所吸附的分子層的質量和厚度，還可以得到粘彈性信息（彈性剪切模量和粘度）。這可以用于檢測吸附到芯片表面的薄膜或本體材料如用于廣泛的流變學和相轉變等應用領域。通過監測吸附于表面的分子層的粘彈性變化，可以實時并高度靈敏地追蹤諸如交聯、溶脹、纏結、聚集和其他構象變化等過程。