Milyen nyomáson kezd egy üres golyó összeesni? A mechanika klasszikus problémája a mikrokapszulák viselkedésének megértésében is szerepet játszik. A mikrokapszulákat a jövőben implantátumok alkotóelemeként tervezik felhasználni, illetve arra, hogy célzottan hatóanyagokat szállítsanak bizonyos szervekhez. Jülichi kutatók azonban kimutatták, hogy ezek a kapszulák az eddigi elképzelésekhez képest hamarabb esnek össze nyomás hatására.

Az elmúlt években már különböző anyagokból állítottak elő néhány mikro- vagy nanométeres átmérőjű kapszulákat, például elektromosan töltött polimerekből, az ún. polielektrolitokból, vagy szilícium-oxidból. Hogy ezeket a mikrokapszulákat alkalmazni lehessen implantátumokban, protézisekben vagy hatékony hatóanyag-szállítóként, meg kell érteni, hogyan viselkednek, és hogyan lépnek egymással kölcsönhatásba. Különösen a gyógyszerszállítás esetében fontos, hogy pontosan meg lehessen mondani előre, hogyan viselkednek a kapszulák nyomás hatására, és mely kritikus értéken esnek össze hirtelen.

A makroszkopikus méretű, merev gömbhéjak deformálódását a matematikus, repülőmérnök és fizikus Kármán Tódor már több mint ötven évvel ezelőtt nagyon pontosan kiszámította és leírta. A nano- és mikrométeres nagyságrendben azonban ezek a szabályok csak korlátozottan érvényesek. A szomszédos folyadékban fellépő hőmozgás miatt a mikroszkopikus részecskék állandóan összeütköznek az őket körülvevő molekulákkal és atomokkal, amelyek rugalmasságuktól és méretüktől függően folyton alakítják azokat. A környezet hőmérsékletének egyenetlensége ezért megnehezíti annak kiszámítását, hogyan viselkednek nyomás hatására a minigolyók.

Egyébként egy egyszerű kísérlettel is szemléltethető, hogyan befolyásolja a hőingadozás az alakstabilitást. Veszünk egy darab papírt, az asztalra tesszük, és megpróbáljuk a szemben lévő éleit egymáshoz képest eltolni. Ez alig sikerül a nagy nyírási ellenállás miatt. Ha összegyűrjük a papírt, majd csaknem teljesen kisimítjuk, és újra az asztalra tesszük, az éleket sokkal inkább el lehet tolni egymáshoz képest, mint korábban, a papírban megmaradó gyűrődések pedig a hőingadozások hatásának felelnek meg.

A jülichi fizikusok a Harvard Egyetem kutatóival együtt szimulálták, hogyan változik az apró gömbhéjak alakja a hőingadozások hatására. Számításaikkal elsőként igazolták, hogy a hőingadozások ténylegesen befolyásolják a stabilitást. Ez a hatás különösen nagy akkor, ha a részecskék fala a méretükhöz képest nagyon vékony.

A felületen a hőingadozás hatására kialakuló horpadások és törések lehetséges törési helynek számítanak, amely nyomás alatt gyorsan tovább nő. Ez ahhoz vezet, hogy a hőhatásnak kitett golyók akár 20%-kal könnyebben deformálódnak, és lényegesen hamarabb összeesnek, mint ahogy azt a klasszikus elmélet alapján gondolnánk. A szimuláció emellett azt is kimutatta, hogy a hőhatás különösen erős akkor, ha más külső erők is hatnak, például ozmotikus nyomás, amelyet a sejten belül, ill. kívül fellépő különböző anyagkoncentrációk idéznek elő.

A hőingadozások kis töréseket és horpadásokat idéznek elő a golyók felületén (alsó sor, a hőmérséklet balról jobbra nő). Ez ahhoz vezet, hogy a hőhatásnak kitett üres golyók alacsonyabb nyomáson esnek össze, mint a teljesen sima felületűek (felső sor, balra: magas kritikus nyomás, jobbra: alacsony kritikus nyomás).
(Kép: © Forschungszentrum Jülich)

(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012.11.14., doi:10.1073/pnas.1212268109)