[论文解读] Internal and interfacial friction in the dynamics of soft/solid interfaces

Marina Voinova, M. Jonson+1 more|ArXiv.org|Jun 28, 1999

Material Dynamics and Properties参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出了一套理论框架，利用石英晶体微天平（QCM）测量，理解软/固体界面中的内摩擦和界面摩擦。通过将粘弹性薄膜建模为麦克斯韦和Voigt/Kelvin流变模型，推导出考虑本体黏度和滑动摩擦的声响应严格表达式，证明了QCM在原位、定量表征吸附生物分子层机械性能方面的能力。

ABSTRACT

We analyze theoretically the effect of friction on quartz crystal microbalance (QCM) measurements that probe soft (viscoelastic) films and biomolecular layers adsorbed from aqueous solutions. While water provides a natural environment for biomolecules, an interface with unknown rheological properties forms between the adsorbed soft molecular layer and the quartz substrate in the latter case. We investigate therefore the dynamics of soft films adsorbed onto a solid quartz surface within a continuum mechanics approach using both the Maxwell and the Voight/Kelvin models of viscoelasticity and their combination. The rigorous expressions derived for the acoustic response of a quartz crystal oscillator, accounting for both interfacial (sliding) friction and internal friction (viscosity), demonstrate that the QCM can be used as a sensor for quantitative characteristization of friction effects as well as for ``in situ'' measurements of mechanical properties of adsorbed biomolecular films.

研究动机与目标

• 理解摩擦（包括内摩擦（黏性）和界面摩擦（滑动））对软或黏弹性薄膜石英晶体微天平（QCM）测量的影响。
• 解决生物分子层从水溶液吸附到石英基底时出现的界面流变性质未知的挑战。
• 开发基于连续介质力学的理论模型，准确描述在具有复杂机械行为的软薄膜存在下QCM的动态响应。
• 证明QCM可作为内摩擦效应和吸附生物分子薄膜机械性能的定量传感器。

提出的方法

• 采用连续介质力学方法，对软薄膜在固体石英基底上的动力学进行建模。
• 使用麦克斯韦模型表示串联的弹性与黏性组分，使用Voigt/Kelvin模型表示并联的组分，以描述黏弹性行为。
• 将麦克斯韦模型与Voigt/Kelvin模型结合，以捕捉软薄膜中更复杂的黏弹性响应。
• 推导石英晶体振荡器声响应的严格解析表达式，包括来自内摩擦（黏度）和界面摩擦（薄膜-基底界面滑动）的贡献。
• 将模型应用于预测在不同摩擦条件下QCM测量中共振频率和耗散因子的偏移。
• 将理论框架与已知物理原理及黏弹性系统中的预期行为进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 内摩擦（黏度）和界面摩擦（滑动）如何共同影响软薄膜QCM测量中的共振频率和耗散？
• RQ2 QCM在吸附过程中能在多大程度上检测并量化软薄膜-石英界面处的界面滑动摩擦？
• RQ3 不同的黏弹性模型（麦克斯韦和Voigt/Kelvin）如何影响对生物分子层QCM数据的解释？
• RQ4 QCM能否用作吸附软薄膜中黏度和界面滑移等机械性能的定量传感器？
• RQ5 区分QCM响应中内摩擦和界面摩擦贡献的理论基础是什么？

主要发现

• 理论模型成功地在QCM响应中同时考虑了内摩擦（黏度）和界面摩擦（滑动），从而能够更准确地解释实验数据。
• 推导出的频率和耗散偏移表达式严格且适用于麦克斯韦和Voigt/Kelvin黏弹性模型，以及它们的组合。
• 该模型表明，界面滑动摩擦显著影响耗散因子，提供了与内黏度不同的可测量特征。
• 证明QCM能够实现对吸附生物分子薄膜机械性能的原位、定量表征，包括本体黏弹性与界面滑移。
• 该框架可实现内摩擦与界面摩擦效应的分离，从而增强QCM在软物质系统中测量的灵敏度与特异性。
• 结果为在界面流变性质未知的复杂生物和软材料体系中解释QCM数据提供了理论基础。