Manche Menschen werden mit einem Hörverlust geboren, während andere ihn mit zunehmendem Alter, durch Infektionen oder langfristige Lärmbelastung erleiden. In vielen Fällen sind die winzigen Härchen in der Cochlea des Innenohrs, die es dem Gehirn ermöglichen, elektrische Impulse als Schall zu erkennen, beschädigt. Als einen Schritt in Richtung einer fortschrittlichen künstlichen Cochlea berichten Forscher in ACS Nano über eine leitfähige Membran, die Schallwellen in passende elektrische Signale umwandelt, wenn sie in ein Modellohr implantiert wird, ohne dass externe Energie benötigt wird.
Wenn die Haarzellen im Innenohr nicht mehr funktionieren, gibt es keine Möglichkeit, den Schaden rückgängig zu machen. Derzeit ist die Behandlung auf Hörgeräte oder Cochlea-Implantate beschränkt. Diese Geräte benötigen jedoch externe Stromquellen und können Schwierigkeiten haben, Sprache so zu verstärken, dass sie vom Benutzer verstanden wird. Eine mögliche Lösung besteht darin, gesunde Cochlea-Härchen zu simulieren, die Geräusche in elektrische Signale umwandeln, die vom Gehirn als erkennbare Töne verarbeitet werden. Um dies zu erreichen, haben frühere Forscher versucht, piezoelektrische Materialien, die sich aufladen, wenn sie durch den Druck, der die Schallwellen begleitet, zusammengedrückt werden, und triboelektrische Materialien, die Reibung und statische Elektrizität erzeugen, wenn sie durch diese Wellen bewegt werden, mit eigener Kraft zu betreiben. Die Geräte sind jedoch nicht einfach herzustellen und erzeugen nicht genügend Signale für die Frequenzen, die bei der menschlichen Sprache eine Rolle spielen. Yunming Wang und seine Kollegen suchten daher nach einer einfachen Möglichkeit, ein Material herzustellen, das sowohl Druck als auch Reibung nutzt, um einen akustischen Sensor mit hoher Effizienz und Empfindlichkeit über einen breiten Bereich von Audiofrequenzen zu entwickeln.
Um piezotriboelektrisches Material herzustellen, mischten die Forscher Bariumtitanat-Nanopartikel, die mit Siliziumdioxid beschichtet waren, in ein leitfähiges Polymer, das sie zu einem dünnen, flexiblen Film trockneten. Anschließend entfernten sie die Siliziumdioxidhüllen mit einer alkalischen Lösung. Dieser Schritt hinterließ eine schwammartige Membran mit Zwischenräumen um die Nanopartikel herum, so dass sie sich bewegen können, wenn sie von Schallwellen getroffen werden. In Tests zeigten die Forscher, dass der Kontakt zwischen den Nanopartikeln und dem Polymer die elektrische Leistung der Membran um 55 % im Vergleich zum ursprünglichen Polymer erhöhte. Als sie die Membran zwischen zwei dünne Metallgitter klemmten, erzeugte das akustische Sensorgerät ein maximales elektrisches Signal bei 170 Hertz, einer Frequenz, die im Bereich der meisten Erwachsenenstimmen liegt. Schließlich implantierten die Forscher das Gerät in ein Modellohr und spielten eine Musikdatei ab. Sie zeichneten die elektrische Ausgabe auf und wandelten sie in eine neue Audiodatei um, die der Originalversion sehr ähnlich war. Die Forscher sagen, dass ihr selbstbetriebenes Gerät für den breiten akustischen Bereich einsetzbar ist, der zum Hören der meisten Geräusche und Stimmen erforderlich ist.
