美國國家標(biāo)準(zhǔn)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/小時的速度流過狹窄的管道。這聽起來似乎并不快，然而管道的內(nèi)徑只有100微米，如果按比例放大，就像列車以比火箭發(fā)射進入軌道快100倍的速度穿過地鐵隧道。更有趣的是，幾米長的管子還要盤成彈簧狀，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(zhuǎn)翻滾的過山車。

該設(shè)備被安裝在NIST中子研究中心（NCNR）內(nèi)，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(fù)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狹窄通道時其結(jié)構(gòu)會發(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）實驗的數(shù)據(jù)形成了透明球體的彩色背景，透明球體代表蠕蟲狀膠團的一部分，類似的結(jié)構(gòu)通常在肥皂中能看到。高強度中子散射（紅色區(qū)域）顯示出膠團與通過NCNR像毛細(xì)管一樣的流變SANS裝置的流動方向保持一致，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條件下性能的物質(zhì)。

NIST研制的這一裝置被稱為“毛細(xì)管流變SANS”。在NCNR內(nèi)產(chǎn)生中子流，反彈出復(fù)雜的分子，小角度中子散射探測器能夠探測出其分子結(jié)構(gòu)。中子束穿過彈簧狀管道及其攜帶的液體，能夠?qū)⒖焖倭鲃拥囊后w長時間暴露在中子束中以獲取可用數(shù)據(jù)。管中的液體就會處于像針頭注射藥物或者擠洗發(fā)水一樣的高壓條件下，雖然時間不長，但對于復(fù)雜且脆弱的物質(zhì)來說，已足夠明顯影響其流變性。

研究人員認(rèn)為，在極端條件下這些液體的結(jié)構(gòu)還未可知，當(dāng)其緩慢流動時容易檢測，但當(dāng)處于高壓下快速噴射狀態(tài)時，人們不知道會發(fā)生什么。

研究顯示，“毛細(xì)管流變SANS”設(shè)備在高剪切速率下可以顯示液體粘度或流動阻力的變化。當(dāng)液體沿著管壁快速流動時，就會出現(xiàn)剪切效應(yīng)，這會使與管壁接觸的部分液體流速減慢并造成壓力。這種效應(yīng)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(xì)管流變SANS”設(shè)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被稱為單克隆抗體（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時會結(jié)塊，此類分子產(chǎn)品在注射到患者體內(nèi)時有可能造成危害。在目前的實驗中，研究人員尚未確定是什么原因?qū)е耺Ab結(jié)塊，但是排除了針頭壓力等原因。因此，可以繼續(xù)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。勘探者利用表面活性劑從地底深處采集石油和天然氣。在微觀尺度上，表面活性劑形成微小的蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，稱為膠團，當(dāng)它們被泵送進管道時會彼此對齊，保持方向一致，但是隨著流速的增加，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(xì)管流變SANS”設(shè)備能夠幫助研究人員提高測量準(zhǔn)確度。

“毛細(xì)管流變SANS”設(shè)備是NIST“測量科學(xué)創(chuàng)新”計劃支持下長達(dá)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能夠找到將該設(shè)備與X射線和其他類型的光結(jié)合的方法，促進更多納米級的新發(fā)現(xiàn)。