Pflanzen wandeln Licht durch Photosynthese effizient in Energie um – eine Fähigkeit, die Wissenschaftler und Ingenieure mit elektronischen Geräten noch immer nur schwer nachahmen können. In jüngster Zeit haben Forscher über traditionelle Halbleitermaterialien hinausgeschaut, um Geräte unter Verwendung einer vielversprechenden Materialklasse namens Nanoplasmonik zu entwickeln. Diese winzigen Metallstrukturen können optische Energie absorbieren und bündeln sowie energiereiche Ladungsträger erzeugen.
In einer neuen Studie entwickelten Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) und des Fachbereichs Chemie der University of Chicago ein nanoplasmonisches „Blatt“ – ein drahtloses bioelektronisches Gerät, mit dem sie in einem Tiermodell Nerven stimulierten und den Herzrhythmus steuerten. Das Team zeigte außerdem, dass sich ihr Material als computerähnliche Sensorplattform nutzen lässt, bei der Nutzer mithilfe von unsichtbarem Licht mit dem Bildschirm interagieren können – eine potenziell sichere Methode zur Informationsübertragung.
„Diese Materialien sind einzigartig und unterscheiden sich von anderen lichtempfindlichen Geräten wie beispielsweise Photovoltaikzellen“, sagte Pengju Li, ein ehemaliger Doktorand der UChicago PME, der nun als Postdoktorand an der Princeton University tätig ist. „Durch unser Design haben wir die Fähigkeit dieser Nanostrukturen zur Energiespeicherung erhöht, sodass sie nun potenziell als neue Therapieformen und in neuen Mensch-Computer-Schnittstellen eingesetzt werden können.“
Die Studie wurde vom Labor des Chemieprofessors Bozhi Tian an der University of Chicago geleitet und umfasste Forscher der University of Chicago, der Seoul National University, des Brookhaven National Laboratory und des Argonne National Laboratory. „Wir haben die Energiespeicherkapazität dieser Nanostrukturen erhöht, sodass sie nun potenziell als neue Therapieformen und in neuen Mensch-Computer-Schnittstellen eingesetzt werden können“, so Erstautor Pengju Li.
Eine neue Art der Bioelektronik
Aktuelle Lichtkollektoren wie Solarzellen nutzen Halbleitermaterialien, um Sonnenlicht in Energie umzuwandeln. Diese Materialien stoßen jedoch aufgrund physikalischer Gesetze an ihre Wirkungsgrenzen. Die Nanoplasmonik könnte theoretisch effizienter sein. Diese Materialien bestehen aus Edelmetallen wie Gold. Das Metall wird mit Titandioxid zu winzigen Nanostrukturen – etwa 15 nm groß – kombiniert, die Licht absorbieren.
In diesen Materialien regt Licht Plasmonen an, die in energiereiche Elektronen und Löcher zerfallen. Diese Elektronen und Löcher, sogenannte „heiße Ladungsträger“, ermöglichen es Forschern, elektrische und chemische Prozesse auf Nanoebene zu steuern. Diese Strukturen fungieren im Wesentlichen als winzige, lichtbetriebene Energieumwandler, die elektrische Energie liefern, ohne dass verkabelte Stromquellen erforderlich sind.
Die Forscher mussten jedoch verstehen, wie diese Materialien entworfen und hergestellt werden müssen, um den von ihnen erzeugten elektrischen Strom zu verstärken. Li arbeitete jahrelang an diesem Problem, bis er auf eine neue Idee kam: ein Goldnanopartikel, umgeben von einer Halbkugel aus Titandioxid, deren Unterseite von einer Goldschicht gebildet wird. Die Struktur absorbiert das Licht, und die Goldschicht wirkt wie ein Spiegel, der die Energie im Inneren reflektiert und verstärkt.
„Ohne diese Goldschicht dringt das Licht einfach durch“, erklärte Yuze Zheng, einer der Erstautoren der Studie und Doktorand im Tian-Labor. „Durch den Film wird die Leistung des Materials jedoch verstärkt, sodass es für Geräte nutzbar wird.“
Drahtlose Stimulation: Wie Licht Herz und Nerven kontrolliert
Nachdem das Team das Material in der Pritzker Nanofabrication Facility der Universität Chicago hergestellt hatte, testete es dieses an einem Rattenmodell. Sie brachten ein Stück des Materials am Herzen an und zeigten, dass sie den Herzrhythmus steuern konnten, indem sie Licht darauf richteten. Außerdem befestigten sie es am Ischiasnerv; wurde Licht auf das Material gerichtet, stimulierte dies den Nerv – was eine mögliche Therapie für Nervenschmerzen demonstrierte.
Das Material weist eine Leistungsdichte von Milliampere pro Quadratzentimeter auf – ein Wert, der für drahtlose Systeme als sehr hoch gilt. Er ist genauso hoch oder höher als bei vergleichbaren Halbleitermaterialien. „Wir kennen kein anderes nanoplasmonisches Gerät dieser Art, das eine solche Leistungsfähigkeit erreicht und diese nützlichen Bio-Interface-Anwendungen ermöglicht“, sagte Guangqing Yang, ein weiterer Doktorand von Tian und Mitautor der Veröffentlichung.
Die Zukunft der Sensor- und Stimulationsgeräte
Um die weiteren Möglichkeiten dieses Materials aufzuzeigen, entwickelte das Team zudem eine optische Sensorplattform. Ähnlich wie ein Touchscreen reagiert diese pixel-lose Plattform auf Licht statt auf Berührung. Die Forscher interagierten mit dem Bildschirm mithilfe eines Laserpointers und rekonstruierten anschließend mithilfe eines Programms mit Künstlicher Intelligenz die Muster, die sie darauf projiziert hatten.
„Ein Gerät wie dieses könnte die Art und Weise verändern, wie Menschen mit Computern interagieren“, sagte Li. „Anstelle von Berührungen kann man Licht nutzen, um bestimmte Informationen einzugeben. Und das Licht kann unsichtbar sein, was die Sicherheit verbessern würde. KI kann dann eingesetzt werden, um zu entschlüsseln, was man geschrieben hat. Das eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für unser Material.“
Als Nächstes entwickelt das Team ein vollständig implantierbares Gerät, das für die Biostimulation über einen Zeitraum von einem Jahr oder länger eingesetzt werden könnte. Außerdem hoffen sie, ähnliche Plattformen für quantenbasierte Sensoren zu entwickeln.
„Was Forschung wie diese wirklich erst möglich macht, ist die Zusammenarbeit über verschiedene Forschungsbereiche hinweg“, sagte Li. „Wir arbeiten mit Biochemikern und Biophysikern zusammen, also mit Menschen, die die Quantenmechanik dieser Materialien verstehen. Dieser Geist der Zusammenarbeit ist für PME von entscheidender Bedeutung und wirklich lobenswert.“
