Los agujeros ayudan a que los bizcochos y los muffins ingleses sean útiles (y, en el caso de estos últimos, deliciosos). Sin agujeros, no serían lo suficientemente flexibles para doblarse en pequeñas grietas o absorber la cantidad perfecta de mermelada y mantequilla.
En un nuevo estudio, científicos de la Universidad de Chicago encuentran que los agujeros también pueden mejorar la tecnología, incluidos los dispositivos médicos. Publicado en materiales naturales, el documento describe una forma completamente nueva de hacer una celda solar: grabando agujeros en la capa superior para hacerla porosa. La innovación podría formar la base para un marcapasos menos invasivo o dispositivos médicos similares. Podría combinarse con una pequeña fuente de luz para reducir el tamaño de las voluminosas baterías que se implantan actualmente junto con los marcapasos actuales.
«Esperamos que esto abra muchas posibilidades para nuevas mejoras en este campo», dijo Aleksander Prominski, el primer autor del artículo.
Trabajo ligero
Prominski es miembro del laboratorio del químico Bozhi Tian de la Universidad de Chicago, que se especializa en crear formas de conectar tejidos biológicos y materiales artificiales, como cables para modular señales cerebrales y superficies para implantes médicos.
Una de las áreas que les interesa es fabricar dispositivos que puedan funcionar con luz. Estamos más familiarizados con esta tecnología en forma de células solares, pero también pueden usar cualquier fuente de luz, incluidas las artificiales. Cuando operan en el cuerpo, estos dispositivos se conocen como células fotoelectroquímicas y pueden alimentarse desde una diminuta fibra óptica implantada en el cuerpo.
Normalmente, las células solares requieren dos capas, que se pueden lograr combinando el silicio con otro material como el oro, o mezclando diferentes tipos de átomos en cada capa de silicio.
Pero los científicos de UChicago en el laboratorio de Tian descubrieron que podían crear una célula solar a partir de silicio puro si hacían una capa porosa, como una esponja.
La célula blanda y flexible resultante puede tener menos de cinco micrones de ancho, que es aproximadamente del tamaño de un solo glóbulo rojo. Luego se puede emparejar con una fibra óptica, que se puede hacer tan delgada como un cabello humano, reduciendo significativamente el tamaño total de un implante, haciéndolo más amigable para el cuerpo y menos propenso a causar efectos secundarios.
La celda porosa tiene múltiples ventajas sobre las formas de fabricar celdas solares tradicionales, agilizando el proceso de producción y manteniendo la eficacia del producto final.
«Puedes hacerlos en cuestión de minutos y el proceso no requiere altas temperaturas ni gases tóxicos», dijo Prominski.
El coautor del estudio Jiuyun Shi agregó: «Cuando los medimos, vimos que la fotocorriente era realmente alta, dos órdenes de magnitud más alta que nuestros diseños anteriores».
Luego, para aumentar la capacidad del material para estimular el corazón o las células nerviosas, lo tratan con plasma de oxígeno para oxidar la capa superficial. Este paso es contrario a la intuición para los químicos, porque el óxido de silicio funciona con mayor frecuencia como aislante, y «no desea que ningún material aislante impida el efecto fotoelectroquímico», dijo Tian. En este caso, sin embargo, la oxidación en realidad ayuda al hacer que el material de silicio sea hidrofílico, atraído por el agua, lo que aumenta la señal a los tejidos biológicos. «Finalmente, al agregar una capa de óxido de metal de unos pocos átomos de espesor, puede mejorar aún más las propiedades del dispositivo», dijo Pengju Li, otro coautor del estudio.
Debido a que todos los componentes pueden fabricarse para que sean biodegradables, los científicos pueden imaginar que la tecnología se utiliza para procedimientos cardíacos a corto plazo. En lugar de una segunda cirugía para la extracción, las partes se degradarían naturalmente después de unos meses. El enfoque innovador también podría ser particularmente útil para un procedimiento llamado terapia de resincronización cardíaca que busca corregir arritmias en las que las cavidades derecha e izquierda del corazón no laten a tiempo, porque los dispositivos podrían colocarse en múltiples áreas del corazón para mejorar la cobertura. .
Prominski también está entusiasmado con las posibles aplicaciones de la estimulación nerviosa. «Se podría imaginar implantar tales dispositivos en personas que tienen degeneración nerviosa crónica en las muñecas o las manos, por ejemplo, para aliviar el dolor», dijo.
Esta nueva forma de fabricar células solares también podría ser de interés para la energía sostenible u otras aplicaciones no médicas. Debido a que estas células solares están diseñadas para funcionar mejor en un ambiente líquido, los científicos de UChicago creen que podrían usarse en aplicaciones como hojas artificiales y combustibles solares.
El equipo de Tian está trabajando con investigadores cardíacos de la Universidad de Medicina de Chicago para desarrollar aún más la tecnología para su uso eventual en humanos. También están colaborando con el UChicago Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation para comercializar el descubrimiento.
Jiping Yue, Yiliang Lin, Jihun Park y Menahem Rotenberg también fueron coautores del estudio.
La investigación utilizó los recursos de la Instalación de Nanofabricación Pritzker en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular; la Red de Innovación de Illinois; el Centro Experimental de Caracterización Atómica y a Nanoescala de la Universidad de Northwestern y el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Northwestern; y el Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Chicago.
