利用中子研究快速流动的液体

利用中子研究快速流动的液体

144
分享
利用中子研究快速流动液体

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究团队研发了一种装置,能够使液体以约110公里/小时的速度流过狭窄的管道。这听起来似乎并不快​​,然而管道的内径只有100微米,如果按比例放大,就像列车以比火箭发射进入轨道快100倍的速度穿过地铁隧道。更有趣的是,几米长的管子还要盘成弹簧状,因此液体在三厘米宽的环路之后逐渐回旋,“地铁轨道”俨然成了旋转翻滚的过山车。

该设备被安装在NIST中子研究中心(NCNR)内,其研究成果将为药物制造、石油勘探到化学制造等许多行业带来巨大影响,这些行业中的许多企业需要制造或使用包含复杂物质(例如纳米粒子)的液体,因此他们需要了解液体在高压下通过狭窄通道时其结构会发生什么变化。

 

利用中子研究快速流动液体

在上面的示意图中,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,透明球体代表蠕虫状胶团的一部分,类似的结构通常在肥皂中能看到。高强度中子散射(红色区域)显示出胶团与通过NCNR像毛细管一样的流变SANS装置的流动方向保持一致,像盒子里的牙签一样整齐排列。胶团是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性能的物质。

NIST研制的这一装置被称为“毛细管流变SANS”。在NCNR内产生中子流,反弹出复杂的分子,小角度中子散射探测器能够探测出其分子结构。中子束穿过弹簧状管道及其携带的液体,能够将快速流动的液体长时间暴露在中子束中以获取可用数据。管中的液体就会处于像针头注射药物或者挤洗发水一样的高压条件下,虽然时间不长,但对于复杂且脆弱的物质来说,已足够明显影响其流变性。

研究人员认为,在极端条件下这些液体的结构还未可知,当其缓慢流动时容易检测,但当处于高压下快速喷射状态时,人们不知道会发生什么。

研究显示,“毛细管流变SANS”设备在高剪切速率下可以显示液体粘度或流动阻力的变化。当液体沿着管壁快速流动时,就会出现剪切效应,这会使与管壁接触的部分液体流速减慢并造成压力。这种效应使液体成分以一种难以理解的方式发生变化,借助于“毛细管流变SANS”设备,人们能够更好的理解和研究这种变化。

研究小组探索的首批材料是一类被称为单克隆抗体(mAb)的新型治疗用蛋白质。这些mAb分子显示出治疗癌症和自身免疫性疾病的巨大潜力,但是某些分子在流动时会结块,此类分子产品在注射到患者体内时有可能造成危害。在目前的实验中,研究人员尚未确定是什么原因导致mAb结块,但是排除了针头压力等原因。因此,可以继续探索其他潜在原因。

小组研究的另一种物质是肥皂等表面活性剂,它可以改变皮肤分泌的油脂粘度。勘探者利用表面活性剂从地底深处采集石油和天然气。在微观尺度上,表面活性剂形成微小的蠕虫状结构,称为胶团,当它们被泵送进管道时会彼此对齐,保持方向一致,但是随着流速的增加,一致性就被打破了。研究人员能够测量这种一致性的峰值,并得出其发生的原理理论,“毛细管流变SANS”设备能够帮助研究人员提高测量准确度。

“毛细管流变SANS”设备是NIST“测量科学创新”计划支持下长达五年努力研发的成果,该计划为NIST研究人员“最具创新性,高风险和革命性的测量科学理念”提供了经费支持。研究人员希望在未来能够找到将该设备与X射线和其他类型的光结合的方法,促进更多纳米级的新发现。

(译:车薇娜 / 图:NIST网站)

 

原文源自NIST网站,版权归NIST所有,如需转载请注明出处。