如何用QCMD来表征粘弹性？

作者简介：Gabriel Ohlsson担任瑞典百欧林科技有限公司的应用科学家和销售经理。他拥有查尔莫斯大学工程物理专业博士学位，就职于瑞典百欧林科技有限公司后花费大量时间开发软物质传感技术的应用。在这项研究中他使用的主要工具之一是耗散型石英晶体微量天平（QCM-D）技术。

木头、冰块和人体脊柱中的椎片有什么共同点？它们都是粘弹性材料。 粘弹性同时包含粘性和弹性性质。 QCM-D是一种能够表征分子薄膜和本体材料粘弹性的表面传感技术。

什么是粘弹性材料？

从天然生物结构如组织、软骨和皮肤到合成聚合物和混凝土等的许多材料具有粘弹性。粘弹性意味着材料在某种程度上表现为液体和固体材料，并且具有时间依赖性应变。

粘度

粘度是描述流体对流动的阻力，图1.粘度越高，产生特定流动所需的力越大。以蜂蜜和牛奶为例，蜂蜜具有较高的粘度。用帕斯卡∙秒（Pa·s）表示，蜂蜜的粘度为10帕·秒，是牛奶粘度(0.003帕·秒)的三千倍。 这就是为什么蜂蜜不像牛奶那样容易流动。

图1.动态粘度的定义：施加的剪切应力与诱导流速梯度之间的比例关系。

弹性模量

弹性模量是描述固体材料抵抗形变的特征属性，如图2所示。弹性模量描述了某种外加的力如何使固体材料变形。弹性模量越高，就需要更大的力去引起一个给定的形变。例如，橡胶和金属（某种程度上是弹性的）相比，金属具有更大的弹性模量。

图2.弹性剪切模量的定义：施加的力和引起的剪切形变之间的比例关系。

不同情况下的不同弹性模量

可用不同的弹性模量来描述稍有不同的应力情况：

•  弹性（杨氏）模量给出单轴应力下的应变

•  体积模量提供了均匀压缩的阻力

•  弹性剪切模量描述材料对剪切力的阻抗力

硬质固体（如金刚石）具有非常高的弹性模量（剪切模量为478 GPa），这意味着需要较大的应力来使材料发生形变。另一方面，较软的固体例如铝，具有较低的弹性模量（剪切模量为25GPa），因此需要较小的应力来引起形变。

随时间变化的材料行为

取决于施加的剪切应力的大小和时间范围，粘弹性材料可主要表现为偏粘性或偏弹性或粘性和弹性均等。例如，牙膏从管中挤出时表现为粘性材料，但在牙刷上静止时主要是弹性的，因为它不会流动。对于涂料也是如此，如果用油漆刷施加压力，涂料就会散布在诸如墙壁上。但是当涂料被静置时，则会停留在墙壁上而不是落到地面上。另一个例子是玩面团或“橡皮泥”，当你将它在手掌之间滚动并扔到地面而弹起时，它们大多是弹性的。相反，如果将它放在桌面上，它最终会以粘性的方式流动。对这种粘弹性行为的解释可以追溯到分子水平以及构成油漆、牙膏或面团的聚合物的缠绕。高度缠绕会导致偏弹性行为（静置的牙膏或在压力下弹起的面团），而解缠绕则使材料具有偏粘性的特点（在应力下的油漆或静置时的面团）。

图3.聚合物材料的粘弹性行为可以通过分子水平上的缠绕和解缠过程来解释。后者导致偏粘性行为。

监测分子层和液体的粘弹性

这就是能够在分子水平上设计和表征软物质材料非常有趣的原因。可以使用QCM-D等表面传感技术来完成。通过在多个倍频上监测频率（F）和耗散（D），不仅可以检测表面所吸附的分子层的质量和厚度，还可以得到粘弹性信息（弹性剪切模量和粘度）。这可以用于检测吸附到芯片表面的薄膜或本体材料如用于广泛的流变学和相转变等应用领域。通过监测吸附于表面的分子层的粘弹性变化，可以实时并高度灵敏地追踪诸如交联、溶胀、缠结、聚集和其他构象变化等过程。