尖端科学的Crazier疯狂秸秆

根据这位画家的构想，来自NIST中子研究中心（NCNR）小角度中子散射（SANS）实验的数据形成了透明球体的彩色背景，这些透明球体代表蠕虫状的胶束（肥皂中经常发现的一种微小结构）的一部分。高强度中子散射（红色区域）表明，胶束与通过NCNR的毛细管rheoSANS装置的流动方向紧密对准，像管中的牙签一样排列。胶束是许多物质的一种，使用新的研究工具可以更好地理解其在极端流动条件下的性能。

弯曲的研究工具可推动快速移动的流体供中子研究。

孩子们喜欢through饮的the草与尖端科学有什么共同点？询问美国国家标准技术研究院（NIST）的Ryan Murphy及其同事，该小组在哪里想出了一种探索极端条件下流体性质的创新方法。

该团队发明了一种装置，该装置可以使汽车以较慢的速度从狭窄的管道中通过，使汽车通过农村的州际公路（每小时约110公里）。这听起来可能不会太慢​​，但内胎的内径通常为100微米，大约相当于人发的厚度。扩大规模，这就像火车在地铁隧道中穿行，比火箭爆炸进入轨道的速度快约100倍。

更有趣的是，长一米的管子像弹簧一样盘绕起来，因此流体在三厘米宽的环圈之后逐渐回旋，就像那条飞速行驶的地铁是一个令人眼花fast乱的过山车，从头到尾都翻了个筋斗。 。

该小组的设备安装在NIST中子研究中心（NCNR）上，即将进行一些严肃的科学研究，并可能为许多行业带来丰厚的回报。签署使用该设备的公司的范围从药物制造商，石油勘探商到化学制造商。所有这些业务都制造或使用包含复杂物质（例如纳米粒子）的流体，这些公司需要了解在高压下被迫通过狭窄通道时流体的结构会发生什么变化。

“我们不知道这些液体在极端条件下的结构。当它们缓慢移动时，进行测试很容易，但是当您在高压下快速将它们泵出时，您想知道它们将要做什么。” — NIST化学工程师Ryan Murphy

这就是被称为Capillary RheoSANS的设备所要探索的。NCNR产生中子流，这些中子流以复杂的方式反弹，将复杂的分子反射到称为小角中子散射（SANS）检测器的仪器中。盘管的安装要使中子束穿过它，并携带其中的流体。试管中的卷曲不存在，以使液体不停跳动；它们使快速移动的液体在中子束中的暴露时间足以获得有用的数据。

管中的情况模仿了通过针头注射时或从瓶盖喷出的洗发剂时所经历的情况。流体可能仅会在短时间内经历这种情况，但是对于复杂的，有时是易碎的材料而言，有时可能会以很大的方式影响其与流动相关的特性或流变特性。

墨菲说：“我们不知道这些流体在极端条件下的结构是什么。”“当它们缓慢移动时，进行测试很容易，但是当您在高压下快速将它们泵出时，您想知道它们将要做什么。”

该设备的说明和一些初步研究表明其潜力，在“软物质”杂志上作为特色文章出现。该论文提供了毛细管rheoSANS在高剪切速率下可以揭示流体粘度或流动阻力变化的示例。当液体沿着壁快速流动时，就会出现剪切效应，这会减慢与之接触并引起压力的流体部分的流动。这些影响可能以至今难以研究的方式扭曲其成分。

研究小组探索的首批材料之一是一类相对较新的治疗性蛋白质，称为单克隆抗体（mAb）。这些mAb分子显示出治疗癌症和自身免疫性疾病的希望，但科学家仍在学习它们的行为。它们中的一些由于流动会因某些原因而结块，这个问题可能会在将产品注射到患者体内时危害产品。

墨菲说：“我们以很高的速率测量了应该使蛋白质变形或变性的单克隆抗体，但我们没有看到这种情况。”“我们仍不确定是什么原因导致mAb随时间推移结块，但我们排除了针头压力的原因。因此，我们可以继续探索其他潜在原因。”

团队研究的另一种物质是表面活性剂（肥皂是一个常见的例子），它可以改变油脂的粘度，例如皮肤分泌的油脂。它们通常用在洗发香波中，但是勘探者也将它们用于从地下难以到达的地方回收石油和天然气。在微观上，表面活性剂形成微小的蠕虫状结构，称为胶束，当您将它们泵送通过管道时，它们会彼此对齐，但是随着流速的增加，对齐方式开始破裂。

“对准线在我们能够发现的特定点达到峰值，”墨菲说。“我们为什么会发生这种现象有一些理论，Capillary RheoSANS正在帮助我们对其进行完善。”

该设备是NIST在“测量科学创新”计划的支持下进行了五年努力的结果，该计划为NIST研究人员的“最具创新性，高风险和变革性的测量科学构想”提供了资金。毛细管RheoSANS可供访问NCNR进行基于中子的实验的研究人员使用，其中包括nSOFT联盟的成员。该财团帮助向使用中子的美国工业研究人员提供技术和专业知识，以研究“软”材料，从可生物降解的塑料到复合材料和生物制药。

“我们很高兴能帮助您探索复杂流体的性质，”墨菲说。“将来，我们希望找到将我们的设备与X射线和其他类型的光结合的方法，这样我们就可以看到纳米级的更多动态。”

Ryan P. Murphy，Zachary W.Riedel，Marshall A.Nakatani，Paul F.Salipante，Javen S.Weston，Steven D.Hudson和Katie M撰写的“毛细管RheoSANS：在高剪切速率下测量复杂流体的流变学和纳米结构” Weigandt，2020年6月25日，Soft Matter.DOI：
10.1039 / D0SM00941E