硅中没有压电性可以导致主流半导体材料的直接机电应用。硅力学的集成电气控制可以为片上执行器打开新的视角。在一份新报告中，曼努埃尔·布林克 (Manuel Brinker) 和德国物理学、材料、显微镜和混合纳米结构的研究团队将单晶硅中的晶片级纳米孔隙率结合起来，合成了一种复合材料，在水性电解质中表现出宏观电应变。电压-应变耦合比性能最好的陶瓷大三个数量级。布林克等人。将电驱动追溯到每平方厘米 1000 亿个纳米孔横截面的协同作用，并获得了极小的工作电压(0.4 到 0. 9 伏)以及可持续和生物相容的基础材料，用于具有前景的生物致动器应用的生物混合材料。该作品现已发表于科学进步。
开发具有嵌入式电化学驱动的聚合物
在导电聚合物聚吡咯(PPy)氧化过程中发生的电化学变化可以增加或减少聚合物骨架中离域变化的数量。当浸入电解质中时，该材料伴随着可逆的反离子摄取或排出，宏观收缩以及在电位控制下膨胀，使 PPy 成为开发人造肌肉材料的最常见材料之一. 在这项工作中，Brinker 等人。将致动器聚合物与纳米多孔硅的三维 (3-D) 支架结构相结合，设计出一种用于嵌入式电化学驱动的材料。新结构包含一些轻质和丰富的元素成分，包括氢 (H)、碳 (C)、氮 (N)、氧 (O)、硅 (Si) 和氯 (Cl)。
在实验过程中，该团队使用掺杂硅在氢氟酸中的电化学蚀刻工艺制备了多孔硅(pSi) 膜。所得孔在硅表面上是直且垂直的。Brinker 等人使用扫描电子显微镜配置文件。观察到均匀的样品厚度。然后，他们通过吡咯单体的电聚合用聚吡咯 (PPy) 填充多孔硅 (pSi) 膜。pSi 的聚合物成核和部分氧化增加了开路电位，导致孔内 PPy 不断沉积。高度不对称的孔形成链状聚合物生长，抑制聚合物的支化并导致电阻降低. 该团队使用透射电子显微照片(TEM) 和能量色散 X 射线(EDX) 光谱信号观察所得复合材料，以表明随机 pSi 蜂窝结构的均匀 PPy 填充。
表征混合材料
为了表征所得混合材料的功能，Brinker 等人。进行膨胀测量;一种在原位电化学装置中测量材料收缩或膨胀的热分析方法。他们将样品浸入高氯酸中并将其定位，使孔隙指向水平方向。然后，该团队将膨胀计的石英探头放置在样品顶部以测量其长度，然后将样品与高氯酸接触以进行电化学驱动实验。布林克等人。通过记录循环伏安图，在膨胀测量之前和期间测量了混合系统的电化学特性(CVs) 在 0.4 V 至 0.9 V 的电位范围内。 pSi-PPy 膜对 PPy 表现出电容充电特性，其中电流快速移向恒定值。他们没有施加更高的电压，以防止聚合物过度氧化或部分破坏。研究团队记录了样品长度的变化，以便在记录 CV(循环伏安图)的同时详细表征电化学驱动。
阶梯库仑法
布林克等人。然后进行阶梯库仑法通过测量装置中消耗或产生的电量来分析驱动动力学和电解反应过程中转化的物质量。实验装置的应变响应比充电和放电过程快几乎一个数量级。两种影响可能对观察有所贡献。首先，在实验过程中，聚吡咯 (PPy) 可能已达到其屈服极限而导致塑性变形。尽管通过微机械分析指出聚合物中含有反离子，但整个样品不会进一步膨胀。其次，扩散限制可能阻碍了阴离子更快地转移到 PPy，这是分子动力学模拟支持的动力学限制。科学家们还模拟了从同一材料区域的电子显微照片中提取的微结构的微机械特性，以了解填充 PPy 的 pSi 膜的电致动机制。他们测量了宏观空 PPy 和填充 pSi 膜的 PPy 材料的杨氏模量，以显示 pSi 网络的结构如何支配材料的宏观刚度。
生物混合系统的改进功能
由于施加到整个多孔介质的电势，水性电解质/PPy(聚吡咯)系统中的内部机械膨胀压力有助于反离子移动到孔隙空间中。与压电材料相比，这项工作中使用生物相容性混合材料获得特殊驱动的潜力要低得多，这证明混合系统的功能得到了改进。通过这种方式，Manuel Brinker 及其同事将大型电化学驱动与多孔硅 (pSi) 的功能集成一起集成到主流半导体中，从而为电化学储能和水性电解介质中的其他应用建立了通用且可持续的途径。这项工作扩展到之前结合经典压电致动器材料的方法，然而，与高性能压电陶瓷相比，该团队没有集成任何重金属，如铅 (Pb) 以实现功能。这项工作中使用的材料具有生物相容性和生物可降解性，同时具有适用于驱动生物医学功能的极小功能电压。从材料科学的角度来看，该研究展示了如何将固体中的自组织孔隙率功能化以设计坚固的 3D 机械材料，从而将纳米复合材料集成到宏观器件中。
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