Cosa hanno in comune le cannucce a spirale attraverso le quali i bambini amano sorseggiare un drink con la scienza all'avanguardia? Chiedi a Ryan Murphy e ai suoi colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST), dove il team ha escogitato un modo creativo per esplorare le proprietà dei fluidi in condizioni estreme.

Il team ha inventato un dispositivo in grado di spingere fluidi attraverso un tubo stretto alla velocità di un'auto che sfreccia lungo un'autostrada interstatale rurale, a circa 110 km all'ora. Questo potrebbe non sembrare troppo veloce per un viaggiatore su strada, ma il diametro interno del tubo è tipicamente di 100 micrometri, circa lo spessore di un capello umano. Aggiustato in proporzione, sarebbe come un treno che sfreccia attraverso un tunnel della metropolitana circa 100 volte più veloce di un razzo che si fa strada in orbita.

Per aggiungere divertimento, il tubo lungo un metro è arrotolato come una molla, quindi il fluido scorre intorno ad un ciclo dopo un ciclo di tre centimetri di larghezza, come se quella metropolitana esplosiva fosse un ottovolante velocissimo che fa capriole dall'inizio alla fine.

Installato presso il NIST Center for Neutron Research (NCNR), il dispositivo della squadra sta per fare un po' di scienza seria, con un potenziale profitto grande per molti settori. Le aziende che hanno firmato per utilizzare il dispositivo vanno dai produttori di farmaci e dai cercatori di petrolio ai produttori di prodotti chimici. Tutte queste attività producono o utilizzano fluidi che contengono sostanze complesse come nanoparticelle, e le aziende devono sapere cosa succede alla struttura dei fluidi quando vengono forzati attraverso passaggi stretti ad alte pressioni.

Questo è proprio ciò che il dispositivo, chiamato il capillare RheoSANS, è fatto per esplorare. Il NCNR produce flussi di neutroni, che rimbalzano su molecole complesse in modi rivelatori che rivelano la loro struttura a uno strumento chiamato rivelatore a dispersione di neutroni a piccolo angolo (SANS). Il tubo a spirale è impostato in modo che un fascio di neutroni lo attraversi e il fluido che trasporta. Le volute nel tubo non sono lì per dare un brivido al fluido; mantengono il liquido in rapido movimento esposto al raggio di neutroni abbastanza a lungo da ottenere dati utili.

Le condizioni nel tubo imitano quelle che un medicinale sperimenta quando viene iniettato attraverso un ago, o shampoo mentre schizza dal tappo della bottiglia. I fluidi possono sperimentare tali condizioni solo per un breve periodo di tempo, ma per materiali complicati e talvolta fragili, che può essere sufficiente per influenzare il loro flusso, o reologico, proprietà, a volte in modo significativo.

"Non sappiamo quali siano le strutture di questi fluidi in condizioni estreme, " ha detto Murphy. "È facile da testare quando si muovono lentamente, ma quando li espelli velocemente ad alte pressioni vuoi sapere cosa faranno".

Sulla rivista compare una descrizione del dispositivo e alcuni studi preliminari che ne mostrano le potenzialità Materia morbida come articolo in evidenza. Il documento offre esempi di ciò che il reoSANS capillare può rivelare sui cambiamenti di viscosità dei fluidi, o resistenza al flusso, a velocità di taglio elevate. Gli effetti di taglio appaiono quando un liquido scorre rapidamente lungo una parete, che rallenta le parti del fluido che lo toccano e provoca stress. Questi effetti possono distorcere i suoi ingredienti in modi che sono stati difficili da studiare fino ad ora.

Uno dei primi materiali che il team di ricerca ha esplorato è stata una classe relativamente nuova di proteine ​​terapeutiche note come anticorpi monoclonali (mAb). Queste molecole di mAb sono promettenti per il trattamento del cancro e dei disturbi autoimmuni, ma gli scienziati stanno ancora imparando come si comportano. Alcuni di loro tendono ad ammassarsi per qualche motivo mentre scorrono, un problema che potrebbe compromettere il prodotto quando viene iniettato in un paziente.

"Abbiamo misurato i mAb ad un'alta velocità che avrebbe dovuto deformare o denaturare le proteine, ma non l'abbiamo visto accadere, " ha detto Murphy. "Non siamo ancora sicuri di cosa stia causando l'aggregazione dei mAb nel tempo, ma abbiamo escluso la pressione nell'ago come motivo. Così, possiamo passare all'esplorazione di altre potenziali cause".

Un'altra sostanza esaminata dal team erano i tensioattivi (i saponi sono un esempio comune), che può modificare la viscosità degli oli come quelli secreti nella pelle. Sono comunemente usati negli shampoo, ma i cercatori li usano anche per il recupero di petrolio e gas naturale da luoghi sotterranei difficili da raggiungere. A scala microscopica, i tensioattivi formano minuscole strutture simili a vermi chiamate micelle che si allineano tra loro mentre le si pompa attraverso un tubo, ma all'aumentare della portata, l'allineamento inizia a rompersi.

"I picchi di allineamento in un punto specifico che siamo stati in grado di individuare, " ha detto Murphy. "Abbiamo alcune teorie sul motivo per cui sta accadendo, e Capillary RheoSANS ci sta aiutando a perfezionarli."

Il dispositivo è il risultato di uno sforzo quinquennale supportato dal programma Innovations in Measurement Science del NIST, che prevede finanziamenti per "il più innovativo, idee scientifiche di misurazione ad alto rischio e trasformative" dai ricercatori del NIST. Il capillare RheoSANS sarà disponibile per i ricercatori che visiteranno il NCNR per eseguire esperimenti basati su neutroni, inclusi i membri del Consorzio nSOFT. Il consorzio aiuta a fornire tecnologia e competenze ai ricercatori industriali con sede negli Stati Uniti utilizzando neutroni per studiare materiali "morbidi" che vanno dalla plastica biodegradabile ai compositi e ai biofarmaci.

"Siamo entusiasti di aiutare con l'esplorazione delle proprietà di fluidi complessi, " ha detto Murphy. "In futuro speriamo di trovare modi per combinare il nostro dispositivo con i raggi X e altri tipi di luce, così possiamo vedere ancora di più su quello che sta succedendo su scala nanometrica".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.