Dans la conception de cet artiste, les données de l'expérience de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) du NIST Center for Neutron Research (NCNR) forment une toile de fond colorée sur des sphères transparentes représentant une partie d'une micelle en forme de ver, une structure minuscule souvent trouvée dans les savons. La diffusion de neutrons à plus haute intensité (régions rouges) indique que les micelles s'alignent fortement avec la direction du flux à travers le rhéoSANS capillaire du NCNR, s'alignant comme des cure-dents dans un tube. Les micelles sont l'une des nombreuses substances dont les propriétés dans des conditions d'écoulement extrêmes pourraient être mieux comprises avec le nouvel outil de recherche. Crédit :R. Murphy/NIST
Qu'est-ce que les pailles bouclées que les enfants aiment siroter des boissons ont en commun avec la science de pointe ? Demandez à Ryan Murphy et à ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST), où l'équipe a imaginé une manière créative d'explorer les propriétés des fluides dans des conditions extrêmes.
L'équipe a inventé un dispositif qui peut pousser des fluides à travers un tube étroit à la vitesse d'une voiture dévalant une autoroute rurale, à environ 110 km par heure. Cela peut ne pas sembler trop rapide pour un road triper, mais le diamètre intérieur du tube est généralement de 100 micromètres, soit environ l'épaisseur d'un cheveu humain. Élargis, ce serait comme un train dévalant un tunnel de métro environ 100 fois plus vite qu'une fusée se frayant un chemin en orbite.
Pour ajouter au plaisir, le tube d'un mètre de long est enroulé comme un ressort, de sorte que le fluide caréné autour d'une boucle après une boucle de trois centimètres de large, comme si ce métro fulgurant était une montagne russe à la vitesse aveuglante qui fait des sauts périlleux du début à la fin.
Installé au NIST Center for Neutron Research (NCNR), l'appareil de l'équipe est sur le point de faire de la science sérieuse, avec un gain potentiellement important pour de nombreuses industries. Les entreprises qui ont signé pour utiliser l'appareil vont des fabricants de médicaments et des prospecteurs de pétrole aux fabricants de produits chimiques. Toutes ces entreprises fabriquent ou utilisent des fluides contenant des substances complexes telles que des nanoparticules, et les entreprises ont besoin de savoir ce qui arrive à la structure des fluides lorsqu'ils sont forcés à travers des passages étroits à haute pression.
C'est juste ce que l'appareil, appelé le capillaire RheoSANS, est fait pour explorer. Le NCNR produit des flux de neutrons, qui rebondissent sur des molécules complexes de manière révélatrice qui révèlent leur structure à un instrument appelé détecteur de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS). Le tube enroulé est configuré de manière à ce qu'un faisceau de neutrons le traverse et le fluide qu'il transporte. Les boucles dans le tube ne sont pas là pour donner au fluide un frisson; ils maintiennent le liquide en mouvement rapide exposé au faisceau de neutrons assez longtemps pour obtenir des données utiles.
Les conditions dans le tube imitent celles qu'éprouve un médicament lorsqu'il est injecté par une aiguille, ou du shampoing lorsqu'il jaillit de son bouchon de bouteille. Les fluides ne peuvent rencontrer de telles conditions que pendant une brève période, mais pour les matériaux compliqués et parfois fragiles, cela peut suffire à affecter leur débit, ou rhéologique, propriétés, parfois de manière significative.
"Nous ne savons pas quelles sont les structures de ces fluides dans des conditions extrêmes, " a déclaré Murphy. " C'est facile à tester quand ils se déplacent lentement, mais quand vous les pompez rapidement à haute pression, vous voulez savoir ce qu'ils vont faire."
Une description de l'appareil et quelques études préliminaires qui montrent son potentiel apparaît dans la revue Matière molle comme article vedette. L'article offre des exemples de ce que le rheoSANS capillaire peut révéler sur les changements de viscosité des fluides, ou résistance à l'écoulement, à des taux de cisaillement élevés. Les effets de cisaillement apparaissent lorsqu'un liquide s'écoule rapidement le long d'un mur, ce qui ralentit les parties du fluide qui le touchent et provoque du stress. Ces effets peuvent déformer ses ingrédients d'une manière qui a été difficile à étudier jusqu'à présent.
L'un des premiers matériaux explorés par l'équipe de recherche était une classe relativement nouvelle de protéines thérapeutiques connues sous le nom d'anticorps monoclonaux (mAb). Ces molécules mAb sont prometteuses pour le traitement du cancer et des maladies auto-immunes, mais les scientifiques apprennent encore comment ils se comportent. Certains d'entre eux ont tendance à s'agglutiner pour une raison quelconque au fur et à mesure qu'ils coulent, un problème qui pourrait compromettre le produit lorsqu'il est injecté à un patient.
"Nous avons mesuré les AcM à un taux élevé qui aurait dû déformer ou dénaturer les protéines, mais nous n'avons pas vu cela se produire, " a déclaré Murphy. " Nous ne savons toujours pas ce qui provoque l'accumulation des mAb au fil du temps, mais nous avons exclu la pression dans l'aiguille comme raison. Donc, nous pouvons passer à l'exploration d'autres causes potentielles."
Une autre substance que l'équipe a examinée était les tensioactifs (les savons sont un exemple courant), ce qui peut modifier la viscosité des huiles telles que celles sécrétées dans votre peau. Ils sont couramment utilisés dans les shampooings, mais les prospecteurs les utilisent également pour récupérer du pétrole et du gaz naturel dans des endroits souterrains difficiles d'accès. A l'échelle microscopique, les tensioactifs forment de minuscules structures ressemblant à des vers appelées micelles qui s'alignent les unes avec les autres lorsque vous les pompez à travers un tuyau, mais à mesure que le débit augmente, l'alignement commence à se rompre.
"L'alignement culmine à un point précis que nous avons pu repérer, " a déclaré Murphy. " Nous avons quelques théories sur la raison pour laquelle cela se produit, et Capillary RheoSANS nous aide à les affiner."
L'appareil est le résultat d'un effort de cinq ans soutenu par le programme Innovations in Measurement Science du NIST, qui finance « les plus innovantes, idées scientifiques de mesure à haut risque et transformatrices" des chercheurs du NIST. Le Capillary RheoSANS sera disponible pour les chercheurs qui visitent le NCNR pour effectuer des expériences basées sur les neutrons, y compris les membres du Consortium nSOFT. Le consortium aide à fournir une technologie et une expertise aux chercheurs industriels basés aux États-Unis en utilisant des neutrons pour étudier des matériaux « mous » allant des plastiques biodégradables aux composites et aux produits biopharmaceutiques.
« Nous sommes ravis d'aider à explorer les propriétés des fluides complexes, " a déclaré Murphy. " À l'avenir, nous espérons trouver des moyens de combiner notre appareil avec les rayons X et d'autres types de lumière, afin que nous puissions voir encore plus de ce qui se passe à l'échelle nanométrique."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
