更加疯狂的科学用疯狂吸管

原标题:更加疯狂的科学用疯狂吸管

卷曲的研究工具可推进用于中子研究的快速移动流体

来源:NIST新闻

孩子们喝饮料时喜欢用的环圈吸管与尖端科学会有什么共同之处?问问美国国家标准与技术研究院(NIST)的Ryan Murphy和他的同事们,他们组成的研究团队想出了一种创造性的方法来探索极端条件下流体的性能。

团队发明了一种装置,它能以一辆在乡村州际公路上高速行驶的汽车的速度推动流体通过一个狭窄的管道——大约每小时110千米。对于一个公路旅行者来说,这听起来可能不算太快,但管道的内径通常是100微米——大约是人类一根头发丝的厚度。如果按比例放大,这就像一辆列车按照推进火箭进入轨道时的速度的100倍飞驰在地铁隧道中。

更加疯狂的科学用疯狂吸管

如图所示,构成彩色背景的是来自NIST中子研究中心(NCNR)的中子小角散射(SANS)实验数据,背景所烘托的透明球体代表部分蠕虫状胶束,这种微小的结构经常在肥皂中看到。高强度的中子散射(红色区域)表明,胶束与通过NCNR的毛细管液流SANS设备的流体方向紧密地对齐,像牙签在管道中排列成行。包括这种胶束在内的许多物质,它们在极端流动条件下的性能可以通过新的研究工具得到更好的理解。(图片来源:R. Murphy/NIST )

更有趣的是,一米长的管子像弹簧一样被卷起来,所以液体在三厘米宽的环圈内旋转,就好像飞速上升的地铁是一辆速度惊人的过山车,从头到尾翻跟头。

研究团队的设备安装在NIST的中子研究中心(NCNR),可以用来开展一些严肃的科学研究,可能会给许多行业带来丰厚的回报。已签约使用该设备的公司从制药商、石油勘探者到化工制造商都有。所有这些企业都在生产或使用含有纳米粒子等复杂物质的液体。这些公司需要知道,当这些液体在高压下被迫通过狭窄通道时,其结构会发生什么变化。

这种叫做毛细管液流SANS的设备就是用来探测这个的。NCNR产生中子流,以发出信号的方式反弹出复杂的分子,然后利用一种被称为中子小角散射(SANS)探测器的仪器就可以据此揭示出分子的结构。螺旋管的设置使中子束可以通过它和它所携带的流体。管道里的卷曲并不是为了给流体一个刺激的旅程,而是让快速移动的流体暴露在中子束中足够长的时间来获取有用的数据。

管道中的情形模仿了如通过针注射的药水,或洗发水通过瓶盖的按压而喷出时的类似情形。虽然流体经历这种情形的时间很短,但对于复杂的材料或有时脆弱的材料,这就足以影响流量相关或液流的特性,有时甚至非常明显。

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“我们不知道这些流体在极端条件下的结构是什么,”Murphy说。“当它们移动缓慢时,测试很容易,但当你在高压下快速将它们抽出时,你就想知道它们会做什么。”

期刊《软物质》(Soft Matter)以专题文章的形式介绍了该装置和相关潜力的初步研究。文中提供了毛细管液流SANS揭示流体在高剪切速率下粘度或流动阻力变化的例子。当液体沿着管壁快速流动时,剪切效应就会出现,这使得接触到它的液体部分变慢,并产生压力。这些影响会扭曲其成分,但具体作用方式迄今为止却难以发现。

研究团队探索的首批材料之一是一种被称为单克隆抗体(mAb)的相对较新的治疗性蛋白质。这些mAb分子有望用于治疗癌症和自身免疫性疾病,但科学家仍在研究它们的表现。其中一些在流动过程中由于某些原因容易结块,这可能会影响注射到病人体内的产品。

“我们在很高的速率下测量了mAb,这种条件本应使蛋白质变形或变性,但我们没有看到这种情况发生,”Murphy说。“我们还不确定是什么原因导致mAb长时间聚集在一起,但我们已经排除了针头压力的原因。所以,我们可以继续探索其它潜在的原因。”

研究团队研究的另一种物质是表面活性剂(肥皂就是一个常见的例子),它可以改变皮肤分泌的油脂的粘度。它们通常用于洗发香波,但勘探者也用它们从难以到达的地下开采石油和天然气。在微观层面上,表面活性剂会形成被称为胶束的微小蠕虫状结构,当你将它们泵入管道时,胶束会彼此排成一行,但随着流量的增加,这样的排列开始瓦解。

“我们可以在一个特定的点上观测到这种排列的峰值,”Murphy说。“对于产生这一现象的原因,我们已经有了一些理论,而毛细管液流SANS正在帮助我们完善这些理论。”

在“NIST测量科学创新计划”(Innovations in Measurement Science)的支持下,研究人员通过五年的努力建造了该装置。这个创新计划主要为NIST研究人员的“最具创新性、高风险和变革性的测量科学理念”提供资金支持。毛细管液流SANS对访问NCNR进行基于中子实验的研究人员(包括nSOFT协会的成员)开放。该协会帮助美国的工业研究人员利用中子研究“软”材料,包括生物降解塑料、复合材料和生物制药。

“我们很高兴能够帮助探索复杂流体的性能,”Murphy说。“在未来,我们希望找到将我们的设备与X射线和其它类型的光相结合的方法,这样我们就可以看到纳米尺度上发生的情形。”

——编译:李莉萍

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