生活在海水中的低等无脊椎动物海绵，因身体里有许多小孔，又被称作多孔动物，最近几年，生物学家从这种多孔动物中发现许多神奇的机理，将这些机理用于合成材料和制作半导体，成本更低、性能更好。因此，海绵及相关
微生物成了科学家们研究的热点。加州大学生物学家丹尼尔•莫尔斯教授甚至将他的实验室搬到海边，并从海绵中找到了生产结构复杂的半导体的新方法。利用这种方法生产的半导体可用于太阳能电池，使电池价格更低、光能转化效率更高。
多孔海绵竟是超级工厂
在能够俯瞰圣塔芭芭拉海峡的办公室内，莫尔斯教授珍藏着许多生物标本。但当他展示其中一个标本时，总是很小心翼翼，这个标本是由发光的玻璃纤维形成的复杂网格。这个网格标本看起来像一幅抽象画或摩天大楼的建筑模型，实际上，它是生活在海洋中的最原始生物海绵的骨骼。海绵脱去水分后留下的白色物质就是它的骨骼，叫海绵丝，支持了整个海绵体。海绵的骨骼可以分泌骨质，形成各种形状不同的骨针，骨针也是区别海绵种类的依据。海绵有许多不同的种类，莫尔斯教授小心翼翼展示的海绵标本是其中最珍贵的一种，被科学家们誉为“维纳斯手中的花篮”。而莫尔斯教授在他的海边实验室中从事的研究就是，了解这种海绵生物如何形成复杂的骨骼结构，并把对形成机理的认识运用到实际生活中，生产各种结构复杂的电子材料。
几十年来，科学家们一直受到一个问题的困扰。这个问题就是，怎样将简单的硅等无机物组装成复杂的纳米结构。然而，低等生物海绵却很早以前就轻而易举地解决了这个问题。
目前，科学家生产这种微型结构的方法是，用物理方法雕刻出硅板，比如生产微芯片用的晶体管，这种物理雕刻技术成本很高，工序也很复杂。但海绵的方法完全是大自然赋予的，是纯天然的技术，生产相同的复杂微结构比物理方法简单得多，它只要将化合物按照正确的组合形式结合在一起就行了，海绵的方法具有特别的优越性。海绵生活在距离海面几千米的海底，能够从周围的海水中提取硅酸，转化成具有显著生物工程特性的二氧化硅，然后将二氧化硅组装成精密的三维结构，这个过程在海绵家族的每个成员中都可以几乎无差异地复制。
其最吸引科学家的地方在于，整个过程不需要任何外来化合物，而且不需要人造微型结构过程中所必需的高温条件，其效率也远远高于目前的工业技术。
近年来，海绵和其他海洋生物成了科学家的灵感源泉。他们希望能够在这些海洋生物的启发下找到工艺更简单、成本更低的新方法，生产半导体装置等微结构，这些无机物微结构具有广阔的应用前景：可用于计算机芯片、高级材料、太阳能电池等。科学家的目标是，模拟海绵组装机理，让硅和其他无机物自组装出功能性的电子器件。从而用一桶桶的化学反应物取代数十亿美元的半导体加工设备。
虽然实现上述远大目标还需时日，科学家们已经逐渐认识了海绵等海洋生物的微加工过程。莫尔斯等人已经利用从海绵中了解到的生物技巧合成出许多新型半导体，这些半导体具有令人着迷的电学特性。其中的一种半导体具有将光能转化成电能的特性，利用这个特性可以生产价格更便宜效率更高的太阳能电池。
逐步认清海绵形成机理
在莫尔斯教授的实验室外有许多装满海水的储水罐，这些储水罐中养着海星、珊瑚虫、海葵等海洋生物。其中一类看起来好像生了锈的“污团”是莫尔斯的研究重点。这个“污团”是另外一种海绵体，是一种橙色
真菌，生活在海岸岩石的缝隙中。如果前面介绍的标本被比作维纳斯的花篮，这种海绵相比之下简直就是茅草屋。这种没有任何形状的海绵生物看似没有骨架，但是当科学家将它的表层物质溶掉后，就会显现出一团小小的玻璃状骨针。每个骨针只有2毫米长，厚度比人的头发丝还要薄。
莫尔斯认为，这些橙色真菌海绵体的骨针最简单，可以作为了解海绵的最好起点。科学家很久以前就了解到，在海绵体玻璃状骨骼的核心处存在的物质是蛋白质，但还没有科学家研究出这些蛋白质的具体作用，以及它与海绵骨针结构的形成具有何种关系。莫尔斯和他的同事首先分离并获得了其中一个蛋白质的
遗传密码，这种蛋白质属于硅酸盐蛋白。与已有的人类蛋白质库对照，莫尔斯意外地发现这种蛋白质与人体大肠中的蛋白酶非常类似（蛋白酶参与食物分解和消化）。
莫尔斯对这个结果感到非常诧异。他们开始猜想，硅酸盐蛋白质并非消极地充当形成骨骼的模板。与其他酶不一样，硅酸盐蛋白质具有双重功能，除了上述的模板功能外，它还能消化海水中的化合物合成二氧化硅等材料，并将二氧化硅等物质有序地排列成一定的长度，形成针形玻璃状骨骼。
这是科学家200年来在生物矿物的研究中第一次发现这种双重功能的蛋白酶。
莫尔斯据此推测，既然硅酸盐蛋白酶这么擅长合成二氧化硅，那么这些蛋白酶可能也能合成金属氧化物（金属氧化物可被用来制造半导体）。随后的研究证实了他的推测，而且这种酶催化金属氧化物半导体晶体形成的温度只有16摄氏度，相当于海绵体在海水中生存的温度，远远低于传统生产金属氧化物半导体所需要的温度条件。
开发半导体合成新技术
莫尔斯教授的研究结果预示着我们即将拥有在较低温度下生产半导体的低成本工艺。但是这种新工艺会面临另一个潜在的问题：半导体中含有杂质。通常，科学家们对物质纯度的要求是，生物学家90%%，化学家99%%，而制造电子产品的工程师们却要求达到99.999%%。
解决纯度问题的通常思路是，将生物体内的天然机理转化成化学合成技术，莫尔斯教授也不例外。莫尔斯等人发现，海绵骨骼形成的秘密在于，蛋白酶中的氨和氢氧根两个化学团能够合成二氧化硅并进行自组装。这表明，类似的化学合成技术所需的化合物完全可以在氨和水中找到。研究人员将含有金属氧化物的反应物与水混合，然后将混合物置于充满氨气的环境中，就能得到高度结晶的半导体薄膜。在水分子的表面，氨气的浓度相对较大，因此水的表面成为半导体晶体最开始形成的地方，随着氨气向更深层的水中扩散，晶体逐渐向内渗入，在这个过程中会形成一层很薄的薄膜，这些薄膜分布并不均匀，而呈现出厚度只有几个纳米的针状或平板状的网格，用这些网格结构的半导体晶体生产的太阳能电池效率更高。
这项成果是海绵体骨骼形成机制研究转向实用的重大突破。莫尔斯表示，这种化学合成技术甚至还能获得结构更加复杂的纳米结构，从而大大改善现有光伏电池的性能。
降低太阳能利用成本
目前在光伏市场上占据统治地位的晶体硅太阳能电池价格都很高，这使太阳能使用成本比化石类能源高出好几倍，其高价的根源在于原材料硅的生产成本太高。其实，地球上硅的含量非常丰富，但是它不是以单质的形式存在，而是与氧或其他元素形成化合物存在于自然界中，因此获得纯净硅往往需要消耗许多的能量。
为了降低太阳能电池的成本，科学家想方设法降低半导体中硅的用量，有的科学家利用碲化镉或铟化铜等价格更便宜的晶体薄膜来代替硅晶体。吸收相同的太阳能，这些金属半导体只需很薄的一层，而硅晶体需要厚厚的一个平板。莫尔斯的办法就是用低成本的方法合成金属类晶体取代硅晶体。
科学家在设计太阳能电池时面临的一大挑战是：如何及时清除光电效应中出现的电子。光子与半导体碰撞后，往往会形成一个自由电子和带正电荷的空穴，只有这些电子和空穴快速分离后流向不同的电极（电子流向正极，空穴流向负极），才能形成所需要的电流，光能转化成电能。但是，电子与空穴被光子分离后，由于分别带着正负不同的电荷，很容易重新配对形成牢固的电子-空穴对，消耗电能，产生热量，这个过程是阻碍高效率太阳能电池发展的最大绊脚石。
莫尔斯生产出的新型纳米结构能够克服这个难题。他将纳米金属化合物网格吸附在透明的固体或液体电极上，当光子通过电极时，金属晶体将光子吸收，由于纳米级金属半导体薄膜表面积很大，是传统薄膜的90—200倍，光子与半导体碰撞所形成的电子空穴对距离透明电极界面很近，一种电荷很容易被透明电极吸附，而另一种电荷就会移到另外一个电极，电子空穴对被很快分离。
到目前为止，莫尔斯已经率领他的研究团队研制出30多种新型半导体薄膜，并检测了它们的光伏性能。除了太阳能电池外，莫尔斯教授同时还在研发组装其他材料的生物技术，比如用于生产更安全、更高能的电池和更小型记忆芯片的半导体装置，还有用于建筑材料所需的阻挡紫外光照射的薄层纤维。
虽然这些潜在运用听起来很让人兴奋，莫尔斯教授却始终强调自己的生物学家身份，他的目光一直追随着窗外海洋中嬉闹的海豚，他将用自己的一生来研究海绵体复杂机理背后的秘密。
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