Krøllet forskningsværktøj driver hurtigt bevægende væsker til undersøgelse af neutroner

Hvad har de sløjfede sugerør, som børn kan lide at nippe til drinks, til fælles med banebrydende videnskab? Spørg Ryan Murphy og hans kolleger ved National Institute of Standards and Technology (NIST), hvor holdet har udtænkt en kreativ måde at udforske væskers egenskaber under ekstreme forhold.

Holdet opfandt en enhed, der kan skubbe væsker gennem et smalt rør med hastigheden af ​​en bil, der suser ned ad en mellemstatslig landevej - omkring 110 km i timen. Dette lyder måske ikke alt for hurtigt for en road tripper, men rørets indre diameter er typisk 100 mikrometer - omkring tykkelsen af ​​et menneskehår. Opskaleret, det ville være som et tog, der haster gennem en undergrundstunnel omkring 100 gange hurtigere end en raket, der sprænger sig vej i kredsløb.

For at tilføje til det sjove, det meterlange rør er viklet op som en fjeder, så væsken løber rundt i løkken efter tre centimeter bred løkke, som om den bølgende metro var en blændende hurtig rutsjebane, der slår saltomortaler fra start til slut.

Installeret på NIST Center for Neutron Research (NCNR), holdets enhed er ved at lave noget seriøs videnskab, med et potentielt stort udbytte for mange brancher. De virksomheder, der har skrevet under på at bruge enheden, spænder fra lægemiddelproducenter og olieprospektører til kemiske producenter. Alle disse virksomheder fremstiller eller bruger væsker, der indeholder komplekse stoffer såsom nanopartikler, og virksomhederne skal vide, hvad der sker med væskernes struktur, når de bliver tvunget gennem smalle passager ved højt tryk.

Det er lige hvad enheden, kaldet Kapillær RheoSANS, er lavet til at udforske. NCNR producerer strømme af neutroner, som preller af komplekse molekyler på afslørende måder, der afslører deres struktur til et instrument kaldet small-angle neutron scattering (SANS) detektor. Det oprullede rør er sat op, så en neutronstråle passerer gennem det og den væske, det bærer. Krøllerne i røret er der ikke for at give væsken en spændingstur; de holder den hurtigt bevægende væske udsat for neutronstrålen længe nok til at få nyttige data.

Forholdene i røret efterligner dem, som et lægemiddel oplever, når det injiceres gennem en nål, eller shampoo, når den sprøjter ud af flaskehætten. Væsker kan kun opleve sådanne tilstande i en kort periode, men for komplicerede og nogle gange skrøbelige materialer, det kan være nok til at påvirke deres flow-relaterede, eller rheologisk, egenskaber - nogle gange på væsentlige måder.

"Vi ved ikke, hvad strukturerne af disse væsker er under ekstreme forhold, " sagde Murphy. "Det er nemt at teste, når de bevæger sig langsomt, men når du pumper dem hurtigt ud ved højt tryk, vil du gerne vide, hvad de vil gøre."

En beskrivelse af enheden og nogle foreløbige undersøgelser, der viser dens potentiale, vises i journalen Blødt stof som en fremhævet artikel. Papiret giver eksempler på, hvad kapillær rheoSANS kan afsløre om væskers ændringer i viskositet, eller modstand mod strømning, ved høje forskydningshastigheder. Forskydningseffekter vises, når en væske flyder hurtigt langs en væg, hvilket bremser de dele af væsken, der berører den, og forårsager stress. Disse virkninger kan forvrænge dets ingredienser på måder, som har været svære at studere indtil nu.

Et af de første materialer, som forskerholdet udforskede, var en relativt ny klasse af terapeutiske proteiner kendt som monoklonale antistoffer (mAbs). Disse mAb-molekyler viser løfte om behandling af cancer og autoimmune lidelser, men videnskabsmænd lærer stadig, hvordan de opfører sig. Nogle af dem har en tendens til at klumpe sig sammen af ​​en eller anden grund, mens de flyder, et problem, der kan kompromittere produktet, når det injiceres i en patient.

"Vi målte mAbs ved en høj hastighed, der skulle have deformeret eller denatureret proteinerne, men det så vi ikke ske, " sagde Murphy. "Vi er stadig ikke sikre på, hvad der får mAbs til at klumpe sig sammen over tid, men vi har udelukket trykket i nålen som årsagen. Så, vi kan gå videre til at udforske andre potentielle årsager."

Et andet stof, holdet så på, var overfladeaktive stoffer (sæber er et almindeligt eksempel), som kan ændre viskositeten af ​​olier som dem, der udskilles i din hud. De bruges ofte i shampoo, men prospektører bruger dem også til olie- og naturgasindvinding fra svært tilgængelige steder under jorden. I mikroskopisk skala, overfladeaktive stoffer danner bittesmå ormelignende strukturer kaldet miceller, der flugter med hinanden, når du pumper dem gennem et rør, men når strømningshastigheden stiger, justeringen begynder at bryde sammen.

"Tilpasningen topper på et bestemt punkt, vi var i stand til at få øje på, " sagde Murphy. "Vi har nogle teorier om, hvorfor det sker, og Capillary RheoSANS hjælper os med at forfine dem."

Enheden blev til som et resultat af en femårig indsats støttet af NISTs Innovations in Measurement Science-program, som giver midler til "de mest innovative, højrisiko- og transformative målingsvidenskabsideer" fra NIST-forskere. Capillary RheoSANS vil være tilgængelig for forskere, der besøger NCNR for at udføre neutronbaserede eksperimenter, herunder medlemmer af nSOFT-konsortiet. Konsortiet hjælper med at levere teknologi og ekspertise til USA-baserede industrielle forskere, der bruger neutroner til at studere "bløde" materialer lige fra bionedbrydeligt plastik til kompositter og biofarmaceutiske produkter.

"Vi er glade for at hjælpe med at udforske egenskaberne af komplekse væsker, " sagde Murphy. "I fremtiden håber vi at finde måder at kombinere vores enhed med røntgenstråler og andre typer lys, så vi kan se endnu mere af, hvad der foregår på nanoskalaen."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.