美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的研究團隊研發(fā)了一種裝置，能夠使液體以約110公里/小時(shí)的速度流過(guò)狹窄的管道。這聽(tīng)起來(lái)似乎并不快，然而管道的內徑只有100微米，如果按比例放大，就像列車(chē)以比火箭發(fā)射進(jìn)入軌道快100倍的速度穿過(guò)地鐵隧道。更有趣的是，幾米長(cháng)的管子還要盤(pán)成彈簧狀，因此液體在三厘米寬的環(huán)路之后逐漸回旋，“地鐵軌道”儼然成了旋轉翻滾的過(guò)山車(chē)。

該設備被安裝在NIST中子研究中心（NCNR）內，其研究成果將為藥物制造、石油勘探到化學(xué)制造等許多行業(yè)帶來(lái)巨大影響，這些行業(yè)中的許多企業(yè)需要制造或使用包含復雜物質(zhì)（例如納米粒子）的液體，因此他們需要了解液體在高壓下通過(guò)狹窄通道時(shí)其結構會(huì )發(fā)生什么變化。

在上面的示意圖中，NIST中子研究中心（NCNR）小角度中子散射（SANS）實(shí)驗的數據形成了透明球體的彩色背景，透明球體代表蠕蟲(chóng)狀膠團的一部分，類(lèi)似的結構通常在肥皂中能看到。高強度中子散射（紅色區域）顯示出膠團與通過(guò)NCNR像毛細管一樣的流變SANS裝置的流動(dòng)方向保持一致，像盒子里的牙簽一樣整齊排列。膠團是一種使用新的研究工具可以更好地理解其在極端流動(dòng)條件下性能的物質(zhì)。

NIST研制的這一裝置被稱(chēng)為“毛細管流變SANS”。在NCNR內產(chǎn)生中子流，反彈出復雜的分子，小角度中子散射探測器能夠探測出其分子結構。中子束穿過(guò)彈簧狀管道及其攜帶的液體，能夠將快速流動(dòng)的液體長(cháng)時(shí)間暴露在中子束中以獲取可用數據。管中的液體就會(huì )處于像針頭注射藥物或者擠洗發(fā)水一樣的高壓條件下，雖然時(shí)間不長(cháng)，但對于復雜且脆弱的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，已足夠明顯影響其流變性。

研究人員認為，在極端條件下這些液體的結構還未可知，當其緩慢流動(dòng)時(shí)容易檢測，但當處于高壓下快速?lài)娚錉顟B(tài)時(shí)，人們不知道會(huì )發(fā)生什么。

研究顯示，“毛細管流變SANS”設備在高剪切速率下可以顯示液體粘度或流動(dòng)阻力的變化。當液體沿著(zhù)管壁快速流動(dòng)時(shí)，就會(huì )出現剪切效應，這會(huì )使與管壁接觸的部分液體流速減慢并造成壓力。這種效應使液體成分以一種難以理解的方式發(fā)生變化，借助于“毛細管流變SANS”設備，人們能夠更好的理解和研究這種變化。

研究小組探索的首批材料是一類(lèi)被稱(chēng)為單克隆抗體（mAb）的新型治療用蛋白質(zhì)。這些mAb分子顯示出治療癌癥和自身免疫性疾病的巨大潛力，但是某些分子在流動(dòng)時(shí)會(huì )結塊，此類(lèi)分子產(chǎn)品在注射到患者體內時(shí)有可能造成危害。在目前的實(shí)驗中，研究人員尚未確定是什么原因導致mAb結塊，但是排除了針頭壓力等原因。因此，可以繼續探索其他潛在原因。

小組研究的另一種物質(zhì)是肥皂等表面活性劑，它可以改變皮膚分泌的油脂粘度?？碧秸呃帽砻婊钚詣牡氐咨钐幉杉秃吞烊粴?。在微觀(guān)尺度上，表面活性劑形成微小的蠕蟲(chóng)狀結構，稱(chēng)為膠團，當它們被泵送進(jìn)管道時(shí)會(huì )彼此對齊，保持方向一致，但是隨著(zhù)流速的增加，一致性就被打破了。研究人員能夠測量這種一致性的峰值，并得出其發(fā)生的原理理論，“毛細管流變SANS”設備能夠幫助研究人員提高測量準確度。

“毛細管流變SANS”設備是NIST“測量科學(xué)創(chuàng )新”計劃支持下長(cháng)達五年努力研發(fā)的成果，該計劃為NIST研究人員“最具創(chuàng )新性，高風(fēng)險和革命性的測量科學(xué)理念”提供了經(jīng)費支持。研究人員希望在未來(lái)能夠找到將該設備與X射線(xiàn)和其他類(lèi)型的光結合的方法，促進(jìn)更多納米級的新發(fā)現。