Vad har de slingriga sugrören som barn gillar att smutta igenom för gemensamt med banbrytande vetenskap? Fråga Ryan Murphy och hans kollegor vid National Institute of Standards and Technology (NIST), där teamet har tänkt ut ett kreativt sätt att utforska vätskors egenskaper under extrema förhållanden.

Teamet uppfann en anordning som kan trycka vätskor genom ett smalt rör med hastigheten för en bil som susar nerför en landsbygds motorväg - cirka 110 km i timmen. Detta kanske inte låter överdrivet snabbt för en road tripper, men rörets innerdiameter är vanligtvis 100 mikrometer - ungefär tjockt som ett människohår. Skalat upp, det skulle vara som ett tåg som susar genom en tunnelbanetunnel ungefär 100 gånger snabbare än en raket som spränger sig in i omloppsbana.

För att öka det roliga, det meterlånga röret är upprullat som en fjäder, så att vätskan cirkulerar runt slinga efter tre centimeter bred slinga, som om den där raketande tunnelbanan var en bländande snabb berg-och dalbana som vänder kullerbyttor från början till slut.

Installerad vid NIST Center for Neutron Research (NCNR), lagets enhet är på väg att göra lite seriös vetenskap, med en potentiellt stor utdelning för många branscher. Företagen som har skrivit på för att använda enheten sträcker sig från läkemedelstillverkare och oljeprospektörer till kemiska tillverkare. Alla dessa företag tillverkar eller använder vätskor som innehåller komplexa ämnen som nanopartiklar, och företagen måste veta vad som händer med vätskornas struktur när de tvingas genom trånga passager vid höga tryck.

Det är precis vad enheten, kallad Kapillär RheoSANS, är gjord för att utforska. NCNR producerar strömmar av neutroner, som studsar av komplexa molekyler på ett tydligt sätt som avslöjar deras struktur för ett instrument som kallas small-angle neutron scattering (SANS) detektor. Det lindade röret är uppställt så att en neutronstråle passerar genom det och vätskan det bär. Locken i röret är inte där för att ge vätskan en spänning; de håller den snabbrörliga vätskan exponerad för neutronstrålen tillräckligt länge för att få användbar data.

Tillstånden i röret efterliknar de som ett läkemedel upplever när det injiceras genom en nål, eller schampo när det sprutar ut ur flasklocket. Vätskor kan bara uppleva sådana tillstånd under en kort tidsperiod, men för komplicerade och ibland ömtåliga material, som kan vara tillräckligt för att påverka deras flödesrelaterade, eller reologisk, egenskaper — ibland på betydande sätt.

"Vi vet inte vad dessa vätskors strukturer är under extrema förhållanden, " sa Murphy. "Det är lätt att testa när de rör sig långsamt, men när du pumpar ut dem snabbt vid höga tryck vill du veta vad de kommer att göra."

En beskrivning av enheten och några preliminära studier som visar dess potential visas i tidskriften Mjuk materia som en utvald artikel. Tidningen ger exempel på vad kapillär rheoSANS kan avslöja om vätskors förändringar i viskositet, eller motstånd mot flöde, vid höga skjuvhastigheter. Skjuvningseffekter uppträder när en vätska strömmar snabbt längs en vägg, vilket bromsar de delar av vätskan som berör den och orsakar stress. Dessa effekter kan förvränga dess ingredienser på sätt som har varit svåra att studera fram till nu.

Ett av de första materialen forskargruppen utforskade var en relativt ny klass av terapeutiska proteiner som kallas monoklonala antikroppar (mAbs). Dessa mAb-molekyler visar lovande för behandling av cancer och autoimmuna sjukdomar, men forskare lär sig fortfarande hur de beter sig. Vissa av dem tenderar att klumpa ihop sig av någon anledning när de rinner, ett problem som kan äventyra produkten när den injiceras i en patient.

"Vi mätte mAbs i en hög hastighet som borde ha deformerat eller denaturerat proteinerna, men vi såg det inte hända, ", sa Murphy. "Vi är fortfarande inte säkra på vad som får mAbs att klumpa ihop sig med tiden, men vi har uteslutit trycket i nålen som orsak. Så, vi kan gå vidare till att utforska andra potentiella orsaker."

Ett annat ämne som teamet tittade på var ytaktiva ämnen (tvålar är ett vanligt exempel), som kan förändra viskositeten hos oljor som de som utsöndras i din hud. De används ofta i schampon, men prospektörer använder dem också för olje- och naturgasutvinning från svåråtkomliga platser under jord. I mikroskopisk skala, ytaktiva ämnen bildar små maskliknande strukturer som kallas miceller som ligger i linje med varandra när du pumpar dem genom ett rör, men när flödeshastigheten ökar, inriktningen börjar gå sönder.

"Inriktningen toppar vid en specifik punkt vi kunde se, " sa Murphy. "Vi har några teorier om varför det händer, och Capillary RheoSANS hjälper oss att förfina dem."

Enheten kom till som ett resultat av en femårig insats med stöd av NIST:s program för innovationer inom mätning, som ger finansiering till "de mest innovativa, högrisk- och transformativa mätningsvetenskapliga idéer" från NIST-forskare. Capillary RheoSANS kommer att vara tillgänglig för forskare som besöker NCNR för att utföra neutronbaserade experiment, inklusive medlemmar av nSOFT-konsortiet. Konsortiet hjälper till att leverera teknologi och expertis till USA-baserade industriforskare som använder neutroner för att studera "mjuka" material, allt från biologiskt nedbrytbar plast till kompositer och bioläkemedel.

"Vi är glada över att kunna hjälpa till med att utforska egenskaperna hos komplexa vätskor, ", sa Murphy. "I framtiden hoppas vi kunna hitta sätt att kombinera vår enhet med röntgenstrålar och andra typer av ljus, så vi kan se ännu mer av vad som händer på nanoskala."

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.