Curlicued research tool stuwt snel bewegende vloeistoffen voor studie door neutronen

Wat hebben de gekke rietjes waar kinderen graag van nippen, gemeen met de allernieuwste wetenschap? Vraag het 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 verkennen.

Het team vond een apparaat uit dat vloeistoffen door een smalle buis kan duwen met de snelheid van een auto die een landelijke snelweg af raast – ongeveer 110 km per uur. Dit klinkt misschien niet overdreven snel voor een roadtripper, maar de binnendiameter van de buis is typisch 100 micrometer – ongeveer de dikte van een mensenhaar. Opgeschaald zou dat zijn als een trein die ongeveer 100 keer sneller door een metrotunnel raast dan een raket die zijn baan de ruimte in schiet.

Om het nog leuker te maken, is de meter lange buis opgerold als een veer, dus de vloeistof stroomt rond de lus na een lus van drie centimeter breed, alsof die raketachtige metro een verbluffend snelle achtbaan was die salto’s van begin tot einde draait .

Geïnstalleerd in het NIST Center for Neutron Research (NCNR), staat het apparaat van het team op het punt 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 vloeistofstructuur gebeurt wanneer ze onder hoge druk door nauwe doorgangen worden geperst.

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

De omstandigheden in de buis bootsen de omstandigheden na die een geneesmiddel ervaart wanneer het via een naald wordt geïnjecteerd, of shampoo wanneer het uit de dop van de fles spuit. Vloeistoffen ervaren dergelijke omstandigheden mogelijk slechts voor een korte periode, maar voor gecompliceerde en soms kwetsbare materialen kan dat voldoende zijn om hun stromingsgerelateerde of reologische eigenschappen te beïnvloeden – soms op significante manieren.

‘We weten niet wat de structuren van deze vloeistoffen zijn onder extreme omstandigheden,’ zei Murphy. ‘Het is gemakkelijk om te testen wanneer ze langzaam bewegen, maar als je ze onder hoge druk snel uitpompt, wil je weten wat ze gaan doen.’

Een beschrijving van het apparaat en enkele voorbereidende onderzoeken die het potentieel ervan aantonen, verschijnen in het tijdschrift Zachte materie als een uitgelicht artikel. Het artikel biedt voorbeelden van wat capillaire reoSANS kan onthullen over veranderingen in viscositeit van vloeistoffen, of weerstand tegen stroming, bij hoge afschuifsnelheden. Afschuifeffecten verschijnen wanneer een vloeistof snel langs een muur stroomt, waardoor de delen van de vloeistof die deze raken, worden vertraagd en stress wordt 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 verkende, 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 in een patiënt wordt geïnjecteerd.

‘We hebben de mAbs met een hoge snelheid gemeten die de eiwitten hadden moeten vervormen of gedenatureerd, maar we zagen dat niet gebeuren’, zei Murphy. ‘We weten nog steeds niet precies wat de oorzaak is van het feit dat de mAbs na verloop van tijd samenklonteren, maar we hebben de druk in de naald als reden uitgesloten. We kunnen dus 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 kunnen veranderen, zoals oliën die in uw huid worden afgescheiden. Ze worden veel gebruikt in shampoos, maar goudzoekers gebruiken ze ook voor de winning van olie en aardgas van moeilijk te bereiken plaatsen onder de grond. Op microscopisch kleine schaal vormen oppervlakteactieve stoffen kleine wormachtige structuren, micellen genaamd, die met elkaar uitlijnen terwijl je ze door een pijp pompt, maar naarmate de stroomsnelheid toeneemt, begint de uitlijning af te breken.

‘De afstemming piekt op een specifiek punt dat we konden zien’, zei Murphy. “We hebben enkele theorieën over waarom het gebeurt, en Capillair 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, dat financiering biedt voor “de meest innovatieve, risicovolle 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 technologie en expertise leveren 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 onderzoeken 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.”