O que os canudinhos tortos que as crianças gostam de beber têm em comum com a ciência de ponta? Pergunte a Ryan Murphy e seus colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), onde a equipe pensou em uma maneira criativa de explorar as propriedades dos fluidos sob condições extremas.

A equipe inventou um dispositivo que pode empurrar fluidos através de um tubo estreito na velocidade de um carro arremessando em uma interestadual rural - cerca de 110 km por hora. Isso pode não soar muito rápido para um viajante, mas o diâmetro interno do tubo é normalmente de 100 micrômetros - aproximadamente a espessura de um fio de cabelo humano. Ampliados, seria como um trem passando por um túnel do metrô cerca de 100 vezes mais rápido do que um foguete entrando em órbita.

Para aumentar a diversão, o tubo de um metro de comprimento é enrolado como uma mola, então o fluido gira em torno do loop após o loop de três centímetros de largura, como se aquele metrô em alta velocidade fosse uma montanha-russa incrivelmente rápida que dá cambalhotas do início ao fim.

Instalado no NIST Center for Neutron Research (NCNR), o dispositivo da equipe está prestes a fazer ciência séria, com um retorno potencialmente grande para muitos setores. As empresas que assinaram contrato para usar o dispositivo variam de fabricantes de medicamentos e garimpeiros de petróleo a fabricantes de produtos químicos. Todas essas empresas fabricam ou usam fluidos que contêm substâncias complexas, como nanopartículas, e as empresas precisam saber o que acontece com a estrutura dos fluidos à medida que são forçados por passagens estreitas a altas pressões.

Isso é exatamente o que o dispositivo, chamado de ReoSANS Capilar, é feito para explorar. O NCNR produz fluxos de nêutrons, que ricocheteia em moléculas complexas de maneiras reveladoras que revelam sua estrutura a um instrumento chamado detector de espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS). O tubo espiralado é configurado de forma que um feixe de nêutrons passe por ele e o fluido que ele carrega. Os arabescos no tubo não estão lá para dar ao fluido um passeio emocionante; eles mantêm o líquido em movimento rápido exposto ao feixe de nêutrons por tempo suficiente para obter dados úteis.

As condições no tubo imitam as que um medicamento experimenta quando é injetado através de uma agulha, ou shampoo quando sai da tampa do frasco. Os fluidos podem experimentar essas condições apenas por um breve período de tempo, mas para materiais complicados e às vezes frágeis, que pode ser o suficiente para afetar seu fluxo, ou reológico, propriedades - às vezes de maneiras significativas.

“Não sabemos quais são as estruturas desses fluidos em condições extremas, "Murphy disse." É fácil testar quando eles estão se movendo lentamente, mas quando você os bombeia rapidamente em altas pressões, você quer saber o que eles farão. "

Uma descrição do dispositivo e alguns estudos preliminares que mostram seu potencial aparecem na revista Matéria Macia como um artigo em destaque. O artigo oferece exemplos do que o reoSANS capilar pode revelar sobre as mudanças na viscosidade dos fluidos, ou resistência ao fluxo, em altas taxas de cisalhamento. Os efeitos de cisalhamento aparecem quando um líquido flui rapidamente ao longo de uma parede, que retarda as partes do fluido que o tocam e causa estresse. Esses efeitos podem distorcer seus ingredientes de maneiras difíceis de estudar até agora.

Um dos primeiros materiais que a equipe de pesquisa explorou foi uma classe relativamente nova de proteínas terapêuticas conhecidas como anticorpos monoclonais (mAbs). Essas moléculas de mAb são promissoras no tratamento de câncer e doenças autoimunes, mas os cientistas ainda estão aprendendo como se comportam. Alguns deles tendem a se acumular por algum motivo enquanto fluem, um problema que pode comprometer o produto quando injetado em um paciente.

"Medimos os mAbs em uma taxa alta que deveria ter deformado ou desnaturado as proteínas, mas não vimos isso acontecendo, "Murphy disse." Ainda não temos certeza do que está fazendo com que os mAbs se acumulem com o tempo, mas descartamos a pressão na agulha como o motivo. Então, podemos prosseguir para explorar outras causas potenciais. "

Outra substância que a equipe analisou foram os surfactantes (sabonetes são um exemplo comum), que pode alterar a viscosidade de óleos como os secretados em sua pele. Eles são comumente usados ​​em xampus, mas os garimpeiros também os usam para recuperação de petróleo e gás natural em locais subterrâneos de difícil acesso. Em uma escala microscópica, surfactantes formam minúsculas estruturas semelhantes a vermes, chamadas micelas, que se alinham umas com as outras conforme você as bombeia através de um tubo, mas à medida que a taxa de fluxo aumenta, o alinhamento começa a quebrar.

"Os picos de alinhamento em um ponto específico que pudemos detectar, "Murphy disse." Temos algumas teorias sobre por que isso está acontecendo, e o ReoSANS Capilar está nos ajudando a refiná-los. "

O dispositivo surgiu como resultado de um esforço de cinco anos apoiado pelo programa Innovations in Measurement Science do NIST, que fornece financiamento para "os mais inovadores, idéias científicas de medição de alto risco e transformadoras "de pesquisadores do NIST. O RheoSANS Capilar estará disponível para pesquisadores que visitam o NCNR para realizar experimentos baseados em nêutrons, incluindo membros do Consórcio nSOFT. O consórcio ajuda a fornecer tecnologia e experiência para pesquisadores industriais baseados nos Estados Unidos, usando nêutrons para estudar materiais "macios" que variam de plásticos biodegradáveis ​​a compostos e biofarmacêuticos.

"Estamos entusiasmados em ajudar a explorar as propriedades de fluidos complexos, "Murphy disse." No futuro, esperamos encontrar maneiras de combinar nosso dispositivo com raios-X e outros tipos de luz, para que possamos ver ainda mais o que está acontecendo em nanoescala. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.