洞有助于使海綿和英式松餅變得有用(而且，在后者的情況下，味道鮮美)。如果沒有孔，它們就沒有足夠的柔韌性來彎曲成小裂縫，或者吸收適量的果醬和黃油。

在一項新的研究中，芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，孔洞還可以改進技術(shù)，包括醫(yī)療設(shè)備。該論文發(fā)表在Nature Materials 上，描述了一種制造太陽能電池的全新方法：通過在頂層蝕刻孔以使其多孔。這項創(chuàng)新可以構(gòu)成微創(chuàng)起搏器或類似醫(yī)療設(shè)備的基礎(chǔ)。它可以與一個小型光源配對，以減小目前與當今心臟起搏器一起植入的笨重電池的尺寸。

“我們希望這為該領(lǐng)域的進一步改進開辟了許多可能性，”該論文的第一作者 Aleksander Prominski 說。

輕工

Prominski 是芝加哥大學(xué)化學(xué)家 Bozhi Tian 實驗室的成員，該實驗室專門研究連接生物組織和人造材料的方法，例如調(diào)節(jié)大腦信號的電線和醫(yī)療植入物的表面。

他們感興趣的領(lǐng)域之一是制造可以由光供電的設(shè)備。我們最熟悉太陽能電池形式的這項技術(shù)，但它們也可以使用任何光源，包括人造光源。當在體內(nèi)運行時，這種設(shè)備被稱為光電化學(xué)電池，可以通過植入體內(nèi)的微小光纖供電。

通常，太陽能電池需要兩層，這可以通過將硅與另一種材料(如金)結(jié)合來實現(xiàn)，或者通過將不同種類的原子混合到每個硅層中來實現(xiàn)。

但是芝加哥大學(xué)田實驗室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果他們像海綿一樣制作一層多孔的層，他們可以用純硅制造太陽能電池。

由此產(chǎn)生的柔軟、柔韌的細胞可以小于 5 微米，大約是單個紅細胞的大小。然后它可以與一根光纖配對，光纖可以制成像一根頭發(fā)一樣細——顯著減小了植入物的整體尺寸，使其對身體更加友好，并且不太可能引起副作用。

與傳統(tǒng)太陽能電池的制造方法相比，多孔電池具有多種優(yōu)勢，可以簡化生產(chǎn)過程，同時保持最終產(chǎn)品的功效。

“你可以在幾分鐘內(nèi)制作它們，而且這個過程不需要高溫或有毒氣體，”Prominski 說。

合著者 Jiuyun Shi 說：“當我們測量它們時，我們看到光電流非常高——比我們之前的設(shè)計高出兩個數(shù)量級。”

然后，為了提高材料刺激心臟或神經(jīng)細胞的能力，他們用氧等離子體處理它以氧化表層。這一步對化學(xué)家來說是違反直覺的，因為氧化硅最常作為絕緣體，“你不希望光電化學(xué)效應(yīng)受到任何絕緣材料的阻礙，”田說。然而，在這種情況下，氧化實際上有助于使硅材料具有親水性——被水吸引——從而增強了對生物組織的信號。“最后，通過添加幾原子厚的金屬氧化物層，可以進一步增強器件性能，”另一位研究合著者李鵬舉說。

由于所有組件都可以生物降解，科學(xué)家們可以想象該技術(shù)被用于短期心臟手術(shù)。幾個月后，這些部件會自然降解，而不是第二次手術(shù)切除。這種創(chuàng)新方法也可能對稱為心臟再同步治療的程序特別有用，該程序旨在糾正左右心室不及時跳動的心律失常，因為這些設(shè)備可以放置在心臟的多個區(qū)域以提高覆蓋率.

Prominski 也對神經(jīng)刺激的可能應(yīng)用感到興奮。“你可以想象將這些裝置植入手腕或手部患有慢性神經(jīng)退化的人身上，例如，以緩解疼痛，”他說。

這種制造太陽能電池的新方法也可能對可持續(xù)能源或其他非醫(yī)療應(yīng)用感興趣。由于這些太陽能電池的設(shè)計目的是在液體環(huán)境中發(fā)揮最佳作用，芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們認為它們可以用于人造樹葉和太陽能燃料等應(yīng)用。

田的團隊正在與芝加哥大學(xué)醫(yī)學(xué)院的心臟研究人員合作，進一步開發(fā)最終用于人類的技術(shù)。他們還與芝加哥大學(xué)波爾斯基創(chuàng)業(yè)與創(chuàng)新中心合作，將這一發(fā)現(xiàn)商業(yè)化。

Jiping Yue、Yiliang Lin、Jihun Park 和 Menahem Rotenberg 也是該研究的合著者。