美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)入軌道快100倍的速度穿過地鐵隧道。更有趣的是，幾米長(zhǎng)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(shí)其結(jié)構(gòu)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(yàn)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(tuán)的一部分，類似的結(jié)構(gòu)通常在肥皂中能看到。高強(qiáng)度中子散射（紅色區(qū)域）顯示出膠團(tuán)與通過NCNR像毛細(xì)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(tuán)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(cè)器能夠探測(cè)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?dòng)的液體長(zhǎng)時(shí)間暴露在中子束中以獲取可用數(shù)據(jù)。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(zhǎng)，但對(duì)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(dòng)時(shí)容易檢測(cè)，但當(dāng)處于高壓下快速噴射狀態(tài)時(shí)，人們不知道會(huì)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(dòng)阻力的變化。當(dāng)液體沿著管壁快速流動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)剪切效應(yīng)，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(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(dòng)時(shí)會(huì)結(jié)塊，此類分子產(chǎn)品在注射到患者體內(nèi)時(shí)有可能造成危害。在目前的實(shí)驗(yàn)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(tuán)，當(dāng)它們被泵送進(jìn)管道時(shí)會(huì)彼此對(duì)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(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度。

“毛細(xì)管流變SANS”設(shè)備是NIST“測(cè)量科學(xué)創(chuàng)新”計(jì)劃支持下長(zhǎng)達(dá)五年努力研發(fā)的成果，該計(jì)劃為NIST研究人員“最具創(chuàng)新性，高風(fēng)險(xiǎn)和革命性的測(cè)量科學(xué)理念”提供了經(jīng)費(fèi)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(jìn)更多納米級(jí)的新發(fā)現(xiàn)。