¿Qué tienen en común las pajitas locas que les gusta beber a los niños con la ciencia de vanguardia? Pregúntele a Ryan Murphy y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), donde el equipo ha ideado una forma creativa de explorar las propiedades de los fluidos en condiciones extremas.

El equipo inventó un dispositivo que puede empujar fluidos a través de un tubo estrecho a la velocidad de un automóvil que se precipita por una carretera interestatal rural, a unos 110 kilómetros por hora. Puede que esto no suene demasiado rápido para un viajero por carretera, pero el diámetro interno del tubo es típicamente de 100 micrómetros, aproximadamente el grosor de un cabello humano. Ampliado, eso sería como un tren que se precipita a través de un túnel del metro unas 100 veces más rápido que un cohete que se abre camino hacia la órbita.

Para agregar a la diversión, el tubo de un metro de largo está enrollado como un resorte, por lo que el fluido se desplaza alrededor de un bucle después de un bucle de tres centímetros de ancho, como si ese subterráneo vertiginoso fuera una montaña rusa deslumbrantemente rápida que hace saltos mortales de principio a fin.

Instalado en el NIST Center for Neutron Research (NCNR), el dispositivo del equipo está a punto de hacer ciencia seria, con una recompensa potencialmente grande para muchas industrias. Las empresas que han firmado para utilizar el dispositivo van desde fabricantes de medicamentos y buscadores de petróleo hasta fabricantes de productos químicos. Todas estas empresas fabrican o utilizan fluidos que contienen sustancias complejas como nanopartículas, y las empresas necesitan saber qué sucede con la estructura de los fluidos cuando son forzados a través de pasajes estrechos a altas presiones.

Eso es solo lo que el dispositivo, llamado Capillary RheoSANS, está hecho para explorar. El NCNR produce corrientes de neutrones, que rebotan en moléculas complejas de maneras reveladoras que revelan su estructura a un instrumento llamado detector de dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS). El tubo en espiral está configurado de modo que un haz de neutrones pase a través de él y del fluido que transporta. Los rizos en el tubo no están ahí para dar un paseo emocionante al fluido; mantienen el líquido en movimiento rápido expuesto al haz de neutrones el tiempo suficiente para obtener datos útiles.

Las condiciones en el tubo imitan las que experimenta un medicamento cuando se inyecta a través de una aguja, o champú cuando sale a chorros de la tapa de la botella. Los fluidos solo pueden experimentar tales condiciones durante un breve período de tiempo, pero para materiales complicados y a veces frágiles, que puede ser suficiente para afectar su flujo relacionado, o reológico, propiedades, a veces de manera significativa.

"No sabemos cuáles son las estructuras de estos fluidos en condiciones extremas, ", Dijo Murphy." Es fácil de probar cuando se mueven lentamente, pero cuando los bombea rápidamente a altas presiones, quiere saber qué van a hacer ".

En la revista aparece una descripción del dispositivo y algunos estudios preliminares que muestran su potencial Materia blanda como artículo destacado. El documento ofrece ejemplos de lo que los rheoSANS capilares pueden revelar sobre los cambios de viscosidad de los fluidos, o resistencia a fluir, a altas tasas de cizallamiento. Los efectos de cizallamiento aparecen cuando un líquido fluye rápidamente a lo largo de una pared, lo que ralentiza las partes del fluido que lo tocan y causa estrés. Estos efectos pueden distorsionar sus ingredientes de formas que han sido difíciles de estudiar hasta ahora.

Uno de los primeros materiales que exploró el equipo de investigación fue una clase relativamente nueva de proteínas terapéuticas conocidas como anticuerpos monoclonales (mAbs). Estas moléculas de mAb son prometedoras para el tratamiento del cáncer y los trastornos autoinmunes. pero los científicos todavía están aprendiendo cómo se comportan. Algunos de ellos tienden a agruparse por alguna razón a medida que fluyen, un problema que podría comprometer el producto cuando se inyecta en un paciente.

"Medimos los mAb a una tasa alta que debería haber deformado o desnaturalizado las proteínas, pero no vimos que eso sucediera, ", Dijo Murphy." Todavía no estamos seguros de qué está causando que los mAbs se acumulen con el tiempo, pero hemos descartado la presión en la aguja como la razón. Entonces, podemos pasar a explorar otras causas potenciales ".

Otra sustancia que examinó el equipo fueron los tensioactivos (los jabones son un ejemplo común), que puede cambiar la viscosidad de aceites como los que se secretan en la piel. Se utilizan comúnmente en champús, pero los buscadores también los utilizan para la recuperación de petróleo y gas natural de lugares subterráneos de difícil acceso. A escala microscópica, Los tensioactivos forman pequeñas estructuras parecidas a gusanos llamadas micelas que se alinean entre sí a medida que las bombea a través de una tubería. pero a medida que aumenta el caudal, la alineación comienza a romperse.

"La alineación alcanza su punto máximo en un punto específico que pudimos detectar, ", Dijo Murphy." Tenemos algunas teorías sobre por qué está sucediendo, y Capillary RheoSANS nos está ayudando a perfeccionarlos ".

El dispositivo surgió como resultado de un esfuerzo de cinco años respaldado por el programa Innovations in Measurement Science del NIST. que proporciona financiación para "los más innovadores, ideas científicas de medición de alto riesgo y transformadoras "de los investigadores del NIST. El Capillary RheoSANS estará disponible para los investigadores que visiten el NCNR para realizar experimentos basados ​​en neutrones, incluidos los miembros del Consorcio nSOFT. El consorcio ayuda a brindar tecnología y experiencia a investigadores industriales con sede en EE. UU. Que utilizan neutrones para estudiar materiales "blandos" que van desde plásticos biodegradables hasta compuestos y productos biofarmacéuticos.

"Estamos entusiasmados de poder ayudar a explorar las propiedades de los fluidos complejos, ", Dijo Murphy." En el futuro, esperamos encontrar formas de combinar nuestro dispositivo con rayos X y otros tipos de luz, para que podamos ver aún más de lo que está sucediendo a nanoescala ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.