Dans une étude récente publiée dans Avancées scientifiquesles 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» de mycélium fongique dérivée d’un champignon saprophyte à croissance naturelle, Ganoderma lucidum.
Sommaire
Arrière plan
Les appareils électroniques, y compris les appareils portables (par exemple, les téléphones portables) et les appareils non attachés, 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 sombre situation met en évidence les défis de 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 incorporent encore des substrats non durables. Les circuits intégrés (CI) conventionnels qui occupent la plus grande proportion de la masse des PCB utilisés dans les mobiles utilisent des métaux, des céramiques et des polymères. Il existe un besoin urgent de circuits intégrés biodégradables basés sur des matériaux à base de plantes, produisant une électronique entièrement transitoire, y compris des éléments de circuit biodégradables. Jusqu’à présent, les progrès dans l’utilisation du mycélium fongique avec l’électronique et les plates-formes de détection n’ont produit que des composants électroniques défavorablement volumineux présentant des performances de détection limitées.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont fabriqué des patchs de capteur légers et adaptatifs à la forme basés sur G. lucidum substrat de mycélium et mise en évidence des techniques générales de traitement de la peau de mycélium pour l’électronique. Par exemple, ils ont construit des chemins conducteurs en métallisant les surfaces de mycélium par dépôt physique en phase vapeur (PVD) de fines couches métalliques et ablation laser ultérieure.
Le développement de la peau mycélienne à la surface a présenté trois phases distinctes, chacune produisant une peau plus mature. La surface de la peau jeune 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 peau moyenne. Dans la troisième phase, la surface de la peau est complètement masquée par une croûte brune, appelée peau mature.
Ces peaux, composées de mycélium vivant, ont été saturées d’eau et ont donné les peaux finales après compression et séchage supplémentaires. Une optimisation plus poussée des conditions de croissance pourrait accélérer et stabiliser considérablement ce processus. Néanmoins, l’équipe a réalisé un maximum de cinq récoltes consécutives à partir d’un milieu de culture sur six semaines avec un rendement suffisant de peau de mycélium de bonne qualité. L’analyse thermogravimétrique (TGA) des trois types de peau a démontré leur stabilité jusqu’à plus de 250°C (haute température). Il garantissait que ce substrat pouvait contenir des composants électriques sur sa partie supérieure en utilisant des techniques de traitement électronique standard telles que la soudure.
Résultats
La jeune peau de mycélium avait des propriétés électriques comparables aux substrats à base de papier ; ainsi, les circuits électroniques fabriqués à l’aide de cette approche pourraient supporter des densités de courant élevées jusqu’à 333 A mm−2. Il avait également une bonne résistance au claquage, une permittivité relative et une bonne conductivité. De plus, les chercheurs ont démontré qu’ils forçaient en permanence les peaux de mycélium dans de nombreuses géométries en exploitant la capacité de trempage de son réseau de traits d’union en forme de mousse. Il a imbibé de 2-propanol, puis a été remodelé dans la forme souhaitée à l’aide d’un moule, et le séchage à l’air de cette peau déformée dans un environnement ambiant a donné un appareil MycelioTronic entièrement fonctionnel.
Enfin, les chercheurs ont illustré l’adaptabilité à la forme des peaux de mycélium. À cette fin, ils ont remodelé une bande conductrice, comprenant un dispositif monté en surface-diode électroluminescente (SMD-LED), en une structure hélicoïdale, sans diminuer visiblement la luminosité de la LED. Ils ont également montré comment encapsuler les appareils MycelioTronic à l’aide d’un vernis shellac-éthanol biodégradable pour assurer l’isolation électrique et ses applications dans la technologie portable.
Les chercheurs ont réalisé le fonctionnement autonome d’un circuit autonome incorporant 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 a absorbé de grandes quantités de liquide en combinaison avec une solution d’électrolyte hautement conductrice d’ions, produisant une membrane flexible.
La peau de mycélium de type moyen présentait la résistance spécifique la plus faible, étant aussi faible que 54,3 ± 19,8 ohm-cm avec cette solution d’électrolyte, ce qui en fait un matériau de séparation de batterie viable. En outre, il a atteint des nombres MacMullin 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, ce sont tous des produits pétroliers non renouvelables, à la fois coûteux et peu favorables en termes d’impact environnemental. Au contraire, les séparateurs de peau de mycélium peuvent être cultivés naturellement et consomment moins de ressources que les matériaux à base de papier.
De plus, l’équipe a présenté une carte de capteur de mycélium non attachée avec un module de communication de données monté en surface alimenté par une batterie de mycélium intégrée et un capteur d’impédance intégré. Ils ont directement incorporé cette structure de capteur et deux électrodes de 15 mm sur 15 mm pour la batterie de mycélium dans notre circuit par ablation au laser à partir d’une peau de mycélium métallisée cuivre-or. En outre, 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 en exécutant des spectres d’impédance d’un hertz (Hz) à 10 MHz dans des conditions climatiques stables.
La batterie fournit un courant de fonctionnement élevé d’environ deux milliampères (mA) en fonctionnement standard et d’environ 13,5 mA pendant la transmission des données au circuit. Lorsqu’un objet comme un doigt s’approchait du capteur, sa charge était modifiée car le doigt agissait comme une capacité parasite, entraînant des changements distincts de 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 la capacité. Après avoir terminé l’aspiration directe, le signal a d’abord diminué jusqu’à ce qu’ils observent une région de diminution plus lente causée par l’humidité résiduelle adhérant à la surface du mycélium. Ainsi, ils pourraient effectuer une détection de proximité et d’humidité entièrement autonome avec une alimentation électrique durable intégrée en utilisant cette conception MycelioTronic respectueuse de l’environnement.
L’approche MycelioTronic fait place à une électronique durable avec une fonctionnalité et une variabilité élevées. Après la fin de vie de ces composants électroniques, les composants réutilisables montés en surface pourraient être facilement démontés de la carte à l’aide d’outils simples comme un pistolet thermique ou un fer à souder, ne laissant que le substrat biodégradable comme déchet. De même, le PCB à base de peau de mycélium se désintégrerait facilement dans le sol de compostage après le retrait des CI conventionnels. Il perdrait 93,4% de sa masse sèche en 11 jours, après quoi les restes d’échantillons seraient également impossibles à distinguer du sol. Les peaux de mycélium non traitées se désintègrent de manière similaire jusqu’à 9,3% de leur masse initiale après 11 jours.
conclusion
La peau de mycélium étant entièrement biodégradable, il a été possible de remplacer les composants électroniques à base de fossiles et fortement transformés. Lorsqu’il est associé à des composants de circuit non dégradables conventionnels, il atteint la fonctionnalité élevée de tous les appareils électroniques conventionnels sans sacrifier la durabilité. Ce matériau fongique a également démontré une stabilité thermique élevée facilitant la fabrication de cartes de capteurs électroniques de formes variées en raison de leur adaptabilité à la forme.
Dans l’ensemble, l’étude a démontré la polyvalence des peaux de mycélium fongique en tant qu’électronique durable ouvrant la voie à une architecture plus durable des appareils électroniques.
