由于硅中没有压电效应，所以主流半导体材料可以直接应用于机电领域。硅力学的集成电气控制可以为片上执行器开辟新的前景。在一份新的报告中，德国的Manuel Brinker和一个物理、材料、显微镜和杂化纳米结构研究小组，在单晶硅中结合了晶片尺度的纳米孔隙，合成了一种在水溶液中表现出宏观电应变的复合材料。电压-应变耦合比性能最好的陶瓷高出三个数量级。Brinker等人将电致驱动追溯到每平方厘米1000亿纳米粒子的交叉作用，并获得了非常小的操作电压(0.4至0.9伏)，同时可持续性和生物相容性的生物混合材料也具有应用前景。这项研究现在发表在《科学进展》杂志上。
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主链的离域变化次数。当浸泡在电解液中，该材料伴随着可逆的反离子吸收或排出，在电势控制下出现宏观收缩和膨胀，使PPy成为开发人工肌肉材料最常见的材料之一。在本研究中，Brinker等人将致动器聚合物与纳米孔硅的三维支架结构结合，设计了一种嵌入式电化学致动材料。新结构含有氢(H)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、硅(Si)和氯(Cl)等轻质丰富的元素成分。
在实验中，该团队使用氢氟酸中掺杂硅的电化学蚀刻工艺制备了多孔硅(pSi)膜。所产生的孔在硅表面是直的和垂直的。Brinker等人使用扫描电子显微镜观察了均匀的样品厚度。然后他们通过吡咯单体的电聚合将聚吡咯填充到多孔硅(pSi)膜中。pSi的聚合物成核和部分氧化增加了开路电位，导致PPy在孔内不断沉积。高度不对称的孔洞形成了链状聚合物生长，抑制了聚合物的分枝，导致了较低的电阻。该小组使用透射电子显微图(TEM)和能量色散x射线(EDX)光谱信号观察合成物，结果表明随机pSi蜂窝结构的均匀PPy填充。
为了表征混合材料的功能，Brinker等人进行了膨胀测量;在原位电化学装置中测量材料收缩或膨胀的热分析方法。他们将样品浸泡在高氯酸中，并将其放置，使气孔指向水平方向。然后，研究小组将膨胀仪的石英探针放置在样品上方，测量其长度，然后将样品与高氯酸接触，进行电化学驱动实验。Brinker等人通过记录0.4V至0.9V电势范围内的循环伏安图(CVs)，在膨胀测量之前和测量期间测量了杂化体系的电化学特性。pSi-PPy薄膜对PPy表现出电容性充电特性，即电流迅速向一个恒定值移动。他们没有施加更高的电压，以防止过度氧化或部分破坏的聚合物。研究小组记录了样品长度的变化，以便在记录CVs(循环伏安图)时详细描述电化学驱动。
Brinker等人随后通过测量装置中消耗或产生的电量，采用步进库伦法来分析驱动动力学和电解反应过程中物质的转化量。实验装置的应变响应比充、放电过程快几乎一个数量级。两种效应可能促成了这一观察结果。首先，在实验过程中，聚吡咯(PPy)可能已经达到屈服极限，导致塑性变形。整个样品不会进一步扩展，尽管通过微观力学分析可以看出，在聚合物中包含了反离子。其次，扩散限制可能阻碍了阴离子更快地转移到PPy，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区域材料的电子显微图中提取的微观结构的微观力学特性，以理解填充了ppy的pSi膜的电致驱动机制。他们测量了空PPy和充有pSi膜的PPy材料的宏观杨氏模量，以显示pSi网络的结构如何支配材料的宏观刚度。
由于适用于整个多孔介质的电势，在电解质/PPy(聚吡咯)体系中的内部机械膨胀压力有助于反离子进入孔隙空间。与压电材料相比，在这项研究中使用生物相容性混合材料获得异常驱动的可能性要低得多，这证明了混合系统的功能得到了改善。通过这种方式，Manuel Brinker和他的同事将大型电化学驱动与多孔硅(pSi)的功能集成集成到主流半导体中，为电解水介质中的电化学能量存储和其他应用建立了多功能和可持续的途径。这项工作扩展了以前结合经典压电驱动器材料的方法，然而，与高性能压电陶瓷相比，该团队没有整合任何重金属，如铅(Pb)的功能。在这项工作中使用的材料是生物相容性和生物可降解的，以及非常小的功能电压适合生物医学功能的驱动。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度功能化，从而设计出稳健的三维机械材料，将纳米复合材料与宏观器件集成在一起。
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