Les mycobactéries dérivées de la peau de MycelioTronics sont-elles une alternative écologique à l’électronique ?

Dans une étude récente publiée dans La science avanceLes chercheurs ont proposé une nouvelle approche pour développer une électronique flexible et biodégradable appelée MycelioTronics, qui pourrait remplacer le matériau du substrat électronique.

De plus, les chercheurs ont rapporté une méthode pour la croissance et la récolte efficaces et évolutives de ce matériau basée sur une « peau » fongique mycorhizienne dérivée d’un champignon saprophyte à croissance naturelle, Ganoderma lucidum.

Contexte

Les appareils électroniques, y compris les appareils portables (tels que les téléphones portables) et les appareils connectés, sont intégrés de manière irrévocable dans la vie humaine. En raison de leur durée de vie limitée, ils génèrent d’énormes quantités de déchets électroniques, ce qui entrave la réalisation d’un avenir électronique vert. La situation sombre indique des défis dans la fabrication d’appareils électroniques avec des matériaux durables.

Les cartes de circuits imprimés (PCB) biodégradables ne sont pas disponibles, et la plupart des biomatériaux à base de graphène et de carbone comprennent encore des substrats non durables. Les circuits intégrés (CI) conventionnels qui occupent le pourcentage de masse le plus élevé de PCB utilisés dans les téléphones mobiles utilisent des métaux, des céramiques et des polymères. Des circuits intégrés biodégradables basés sur des matériaux végétaux, résultant en une électronique entièrement transitoire, comprenant des éléments de circuit biodégradables, sont nécessaires de toute urgence. À ce jour, les progrès dans l’utilisation des champignons mycorhiziens avec l’électronique et les plates-formes de détection n’ont produit que des composants électroniques volumineux défavorables qui présentent des performances de détection limitées.

sur les études

Dans cette étude, les chercheurs ont créé des patchs de capteur légers et adaptables à la forme basés sur c. lucide Substrat de mycélium et techniques générales de durcissement caractéristiques de la peau de mycélium électronique. Par exemple, ils ont construit des voies conductrices en minéralisant les surfaces fongiques par dépôt physique en phase vapeur (PVD) de fines couches métalliques et ablation laser ultérieure.

Le développement de la peau du champignon à la surface a montré trois étapes distinctes, dont chacune a produit une peau plus mature. La surface de la peau du garçon avait une couleur blanche brillante qui occupait des couches de plus en plus denses sur la grille de séparation. La peau est devenue plus épaisse et plus dense, et des taches brunes (ou une croûte rugueuse) sont apparues à sa surface, appelées mésoderme. Au troisième stade, la surface de la peau est complètement masquée par une croûte brune, appelée peau mature.

Ces peaux, composées de champignons vivants, étaient saturées d’eau et produisaient des peaux finies après un pressage et un séchage supplémentaires. L’amélioration des conditions de croissance peut grandement accélérer et stabiliser ce processus. Cependant, l’équipe a réalisé un maximum de cinq cultures consécutives à partir d’un seul milieu de culture sur une période de six semaines avec une production suffisante d’épiderme fongique de bonne qualité. L’analyse thermogravimétrique (ATG) des trois cuirs a montré une stabilité jusqu’à plus de 250°C (haute température). J’ai veillé à ce que ce substrat puisse contenir des composants électriques en utilisant des techniques de traitement électronique standard telles que la soudure.

conséquences

La jeune peau fongique possède des propriétés électriques similaires à celles des substrats en papier. Ainsi, les circuits électroniques fabriqués à l’aide de cette approche peuvent maintenir des densités de courant élevées allant jusqu’à 333 mM.^-2. Il a également une bonne résistance à la rupture, une permittivité relative et une conductivité. De plus, les chercheurs ont démontré qu’ils forçaient en permanence les peaux fongiques dans plusieurs géométries en exploitant le pouvoir absorbant du réseau d’hyphes en forme de mousse. Le trempage dans du 2-propanol, puis sa reformation dans la forme souhaitée à l’aide d’un moule et le séchage à l’air de ce cuir déformé dans un environnement ambiant ont donné un MycelioTronic entièrement fonctionnel.

Enfin, les chercheurs montrent à quel point les formes de peau des champignons sont adaptées. À cette fin, ils ont reconfiguré une bande conductrice, comprenant un dispositif de montage en surface – une diode électroluminescente (SMD-LED), en une structure en spirale, sans réduire visiblement la luminosité de la LED. Ils ont également montré comment recouvrir les appareils MycelioTronic d’une laque biodégradable à l’éthanol pour assurer l’isolation électrique et ses applications dans la technologie portable.

Les chercheurs ont réalisé le fonctionnement autonome d’un circuit autonome qui comprend directement une batterie au mycélium, un capteur capacitif et d’autres modules de communication nécessaires. Pour les batteries biodégradables et durables, la peau de mycélium absorbe de grandes quantités de liquide avec une solution d’électrolyte hautement conductrice d’ions, ce qui donne une membrane flexible.

La peau fongique de type moyen a montré la résistance spécifique la plus faible, atteignant 54,3 ± 19,8 ohms^-cm Avec cette solution d’électrolyte, ce qui en fait un matériau de séparateur de batterie viable. En outre, les nombres de MacMullin ont atteint un niveau aussi bas que 6,7, ce qui les rend comparables aux séparateurs de batteries lithium-ion commerciaux. Les batteries Li-ion commerciales utilisent généralement des séparateurs en polymère polyoléfine car ils ont d’excellentes propriétés mécaniques, sont chimiquement stables et peuvent être produits avec des tailles de pores suffisamment petites pour incorporer des mécanismes de sécurité. Cependant, tous ces produits pétroliers sont non renouvelables, coûteux et peu favorables en termes d’impact environnemental. Au contraire, les séparateurs de peau fongiques peuvent être cultivés naturellement et consomment moins de ressources que les matériaux feuillus.

En outre, l’équipe a présenté une carte de capteur fongique sans contrainte avec un module de communication de données monté en surface pris en charge par une batterie de mycélium intégrée et un capteur résistif intégré. Ils ont directement intégré cette structure de capteur et deux électrodes de batterie fongiques de 15 mm × 15 mm dans notre circuit par ablation au laser d’une peau de mycélium métallique en cuivre et en or. De plus, ils ont étudié ses performances en tant que capteur d’humidité dans un environnement contrôlé à l’aide d’une chambre climatique. Ils ont progressivement augmenté l’humidité relative (rH) de 10 % à 20 % et 70 % rH pour effectuer des spectres d’impédance d’un Hertz (Hz) à 10 MHz dans des conditions météorologiques stables.

La batterie fournit un courant de fonctionnement élevé d’environ 2 milliampères (mA) en fonctionnement standard et d’environ 13,5 mA pendant la transmission des données au circuit. Lorsqu’un objet tel qu’un doigt s’approche du capteur, sa charge change car le doigt agit comme une capacité parasite, ce qui entraîne des changements distincts dans la capacité du capteur. En plus de la détection de proximité, ils ont également démontré les capacités de détection d’aspiration du capteur. Une augmentation à court terme de l’humidité a provoqué un changement détectable de capacité. Après avoir terminé l’aspiration directe, le signal a d’abord diminué jusqu’à ce qu’ils observent une région de chute plus lente causée par l’humidité résiduelle adhérant à la surface du mycélium. Ainsi, ils peuvent effectuer une détection de proximité et d’humidité sans restriction avec une alimentation électrique durable intégrée utilisant la conception écologique MycelioTronic.

L’approche de MycelioTronic se prête à une électronique durable avec une fonctionnalité et une polyvalence élevées. Une fois la durée de vie de ces composants électroniques expirée, les composants réutilisables montés en surface peuvent être facilement démontés de la carte à l’aide d’outils simples tels qu’un pistolet thermique ou un fer à souder, ne laissant que le substrat biodégradable comme déchet. De même, les PCB fongiques à base de peau se désintègrent facilement dans le sol du compost après le retrait des circuits intégrés conventionnels. Il perdra 93,4% de sa masse sèche en 11 jours, après quoi le résidu de l’échantillon sera également impossible à distinguer du sol. Les peaux de mycélium non traitées réciproquement se sont désintégrées à 9,3 % de leur masse initiale après 11 jours.

conclusion

La peau de champignon étant entièrement biodégradable, elle a rendu possible le remplacement des composants électroniques à base de fossiles et hautement transformés. Lorsqu’il est combiné avec des composants de circuits conventionnels non dégradables, il a atteint la fonctionnalité élevée de tous les appareils électroniques conventionnels sans sacrifier la durabilité. Ce matériau fongique a également montré une stabilité thermique élevée qui facilite la fabrication de cartes de capteurs électroniques dans une variété de formes en raison de son adaptation de forme.

Dans l’ensemble, l’étude a montré la diversité des peaux fongiques mycorhiziennes en tant qu’électronique durable cédant la place à une architecture plus durable pour les appareils électroniques.