Wat hebben de gekke rietjes waar kinderen graag een slokje door drinken gemeen met de allernieuwste wetenschap? Vraag Ryan Murphy en zijn collega's van het National Institute of Standards and Technology (NIST), waar het team een ​​creatieve manier heeft bedacht om de eigenschappen van vloeistoffen onder extreme omstandigheden te onderzoeken.

Het team vond een apparaat uit dat vloeistoffen door een smalle buis kan duwen met de snelheid van een auto die over een landelijke snelweg raast - ongeveer 110 km per uur. Dit klinkt misschien niet al te snel voor een roadtripper, maar de binnendiameter van de buis is typisch 100 micrometer - ongeveer de dikte van een mensenhaar. Opgeschaald, dat zou zijn als een trein die ongeveer 100 keer sneller door een metrotunnel raast dan een raket die zich een weg baant.

Om het plezier nog groter te maken, de meterlange buis is opgerold als een veer, dus de vloeistof kronkelt rond de lus na een lus van drie centimeter breed, alsof die vliegende metro een oogverblindend snelle achtbaan was die van begin tot eind salto's maakt.

Geïnstalleerd in het NIST Center for Neutron Research (NCNR), het apparaat van het team staat op het punt om serieuze wetenschap te doen, met een potentieel grote uitbetaling voor veel industrieën. De bedrijven die zich hebben aangemeld om het apparaat te gebruiken, variëren van medicijnfabrikanten en oliezoekers tot chemische fabrikanten. Al deze bedrijven maken of gebruiken vloeistoffen die complexe stoffen bevatten zoals nanodeeltjes, en de bedrijven moeten weten wat er met de structuur van de vloeistoffen gebeurt als ze onder hoge druk door nauwe doorgangen worden gedwongen.

Dat is precies wat het apparaat, genaamd de Capillaire RheoSANS, is gemaakt om te verkennen. De NCNR produceert stromen van neutronen, die op veelbetekenende manieren op complexe moleculen stuiteren die hun structuur onthullen aan een instrument dat de kleine-hoek-neutronenverstrooiing (SANS) -detector wordt genoemd. De opgerolde buis is zo opgesteld dat er een neutronenstraal doorheen gaat en de vloeistof die het vervoert. De krullen in de buis zijn er niet om de vloeistof een spannende rit te geven; ze houden de snel bewegende vloeistof lang genoeg blootgesteld aan de neutronenstraal om bruikbare gegevens te krijgen.

De omstandigheden in de buis bootsen die na die een geneesmiddel ervaart wanneer het door een naald wordt geïnjecteerd, of shampoo terwijl het uit de dop van de fles spuit. Vloeistoffen kunnen dergelijke omstandigheden slechts gedurende een korte periode ervaren, maar voor gecompliceerde en soms kwetsbare materialen, dat kan genoeg zijn om hun stroomgerelateerde, of reologische, eigenschappen, soms op significante manieren.

"We weten niet wat de structuren van deze vloeistoffen zijn onder extreme omstandigheden, "Zei Murphy. "Het is gemakkelijk te testen als ze langzaam bewegen, maar als je ze er snel uit pompt bij hoge druk, wil je weten wat ze gaan doen."

Een beschrijving van het apparaat en enkele voorlopige onderzoeken die het potentieel ervan aantonen, verschijnen in het tijdschrift Zachte materie als een uitgelicht artikel. Het artikel biedt voorbeelden van wat capillaire rheoSANS kan onthullen over veranderingen in viscositeit van vloeistoffen, of weerstand tegen stroming, tegen hoge afschuifsnelheden. Afschuifeffecten treden op als een vloeistof snel langs een muur stroomt, die de delen van de vloeistof die ermee in aanraking komen, vertraagt ​​en stress veroorzaakt. Deze effecten kunnen de ingrediënten vervormen op manieren die tot nu toe moeilijk te bestuderen waren.

Een van de eerste materialen die het onderzoeksteam onderzocht, was een relatief nieuwe klasse van therapeutische eiwitten die bekend staat als monoklonale antilichamen (mAbs). Deze mAb-moleculen zijn veelbelovend voor de behandeling van kanker en auto-immuunziekten, maar wetenschappers leren nog steeds hoe ze zich gedragen. Sommigen van hen hebben de neiging om om de een of andere reden samen te klonteren terwijl ze stromen, een probleem dat het product in gevaar kan brengen wanneer het bij een patiënt wordt geïnjecteerd.

"We hebben de mAbs met een hoge snelheid gemeten die de eiwitten hadden moeten vervormen of denatureren, maar dat zagen we niet gebeuren, "Zei Murphy. "We weten nog steeds niet zeker waardoor de mAbs in de loop van de tijd gaan klonteren, maar we hebben de druk in de naald als reden uitgesloten. Dus, we kunnen verder gaan met het onderzoeken van andere mogelijke oorzaken."

Een andere stof waar het team naar keek, waren oppervlakteactieve stoffen (zepen zijn een bekend voorbeeld), die de viscositeit van oliën, zoals die welke in uw huid worden uitgescheiden, kunnen veranderen. Ze worden vaak gebruikt in shampoos, maar goudzoekers gebruiken ze ook voor olie- en aardgaswinning uit moeilijk bereikbare plaatsen onder de grond. Op microscopische schaal, oppervlakteactieve stoffen vormen kleine wormachtige structuren die micellen worden genoemd en die op één lijn liggen met elkaar als je ze door een pijp pompt, maar naarmate de stroomsnelheid toeneemt, de uitlijning begint af te breken.

"De uitlijning piekt op een specifiek punt dat we konden zien, "Zei Murphy. "We hebben enkele theorieën over waarom het gebeurt, en Capillary RheoSANS helpt ons om ze te verfijnen."

Het apparaat is tot stand gekomen als resultaat van een inspanning van vijf jaar, ondersteund door NIST's Innovations in Measurement Science-programma, die financiering verstrekt voor "de meest innovatieve, hoogrisico- en transformatieve meetwetenschappelijke ideeën" van NIST-onderzoekers. De Capillaire RheoSANS zal beschikbaar zijn voor onderzoekers die de NCNR bezoeken om op neutronen gebaseerde experimenten uit te voeren, waaronder leden van het nSOFT-consortium. Het consortium helpt bij het leveren van technologie en expertise aan in de VS gevestigde industriële onderzoekers die neutronen gebruiken om "zachte" materialen te bestuderen, variërend van biologisch afbreekbare kunststoffen tot composieten en biofarmaceutica.

"We zijn verheugd om te helpen bij het verkennen van de eigenschappen van complexe vloeistoffen, "Zei Murphy. "In de toekomst hopen we manieren te vinden om ons apparaat te combineren met röntgenstralen en andere soorten licht, zodat we nog meer kunnen zien van wat er op nanoschaal gebeurt."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.