如何用QCM-D測量薄膜的膨脹

你有沒有注意到隱形眼鏡是如何變干、皺折并變形但如果將其放回隱形眼鏡溶液中，它又會恢復到原來的形狀？ 許多天然和人造材料的功能和特性取決于它們吸收和釋放水的能力。 隱形眼鏡就是一個例子，但食品和化妝品中的增稠劑和乳化劑以及過濾裝置都取決于材料水合和脫水的能力。因此在產品研究和開發中，研究這些材料的膨脹過程就非常重要。 這可以通過QCM-D來完成，QCM-D是一種表面敏感技術，可用于表征和優化薄膜中水的吸收和釋放過程。

監測薄膜的水分吸收和膨脹

取決于表面上的分子和分子構象，薄膜中的含水量可以大于95％。 例如，考慮在表面上吸附平坦的細長分子，如圖1所示。具有這種分子排列的吸附層將只有少量的水；而如果它們以直立的方式吸附，將會有更多的水能夠與分子偶聯。 分子層的水合和脫水以及這兩種狀態之間的轉變可用QCM-D來表征，其中水分吸收和膨脹表現為表面質量的增加。

圖1.塌縮吸附在表面上的分子（左側）與直立吸附（右側）相比吸附的溶劑少。

薄膜膨脹的例子

舉個例子，我們來看一下淀粉薄膜中的水分吸收情況。 淀粉是諸如造紙工業和可食用薄膜設計中的重要組成部分。 在這兩個領域，環境濕度對材料強度和質量的影響是一個核心問題。 對于紙張來說，淀粉溶解度應該很低，以便紙張在環境濕度范圍內保持穩定。 另一方面，對于可食用材料，淀粉材料應該可以溶解，并且溶解度需要高于特定的環境濕度。

在這個例子中，我們將一層天然馬鈴薯淀粉薄膜暴露在不同濕度的空氣中，同時測量薄膜厚度變化，如圖2所示。

- 測量開始時的薄膜厚度設定為100％。 測量從空氣濕度11％開始。

- 接下來，逐漸增加濕度，并監測薄膜厚度變化。 隨著濕度增加，膜的厚度增加。

- 值得注意的是，當濕度從100％變回到11％時，淀粉薄膜在幾秒鐘內就會塌陷回原來的厚度。

該測量顯示了濕度是如何引起膜的膨脹并影響薄膜厚度的。 結果可深入了解材料在不同濕度條件下的表現。

圖2.蒸汽吸收和薄膜膨脹的分析。 天然馬鈴薯淀粉薄膜的厚度與空氣濕度的函數關系。

遇到的其他薄膜膨脹的情況

除了紙漿和造紙工業之外，蒸汽吸收和薄膜膨脹的測量在許多其他使用吸濕材料的領域也是相關的。 例如在用于儲存和輸送的藥物包封以及水敏應用中，比如在防潮設備的材料設計中，材料的性質必須不受環境濕度變化的影響。 在許多其他情況下也會出現膨脹現象，例如在表面活性劑引起土壤的溶脹的清洗過程中，，以及在設計對pH、溫度或離子強度有響應的智能材料中。