Sind aus Pilzmyzelhaut gewonnene MycelioTronics ein umweltfreundlicher Ersatz für Elektronik?

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Wissenschaftliche Fortschritteschlugen Forscher einen neuartigen Ansatz zur Entwicklung flexibler und biologisch abbaubarer Elektronik namens MycelioTronics vor, der elektronisches Substratmaterial ersetzen könnte.

Lernen: MycelioTronics: Pilzmyzelhaut für nachhaltige Elektronik. Bildnachweis: Phaigraphic/Shutterstock

Darüber hinaus berichteten die Forscher über eine Methode für das effiziente und skalierbare Wachstum und die Ernte dieses Materials auf der Grundlage einer Pilzmyzel-„Haut“, die von einem natürlich wachsenden saprophytischen Pilz, Ganoderma lucidum, stammt.

Hintergrund

Elektronische Geräte, einschließlich Wearables (z. B. Mobiltelefone) und ungebundener Geräte, werden unwiderruflich in das menschliche Leben integriert. Aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer erzeugen sie enorme Mengen an Elektroschrott und behindern die Verwirklichung einer grünen elektronischen Zukunft. Die düstere Lage weist auf Herausforderungen bei der Herstellung elektronischer Geräte mit nachhaltigen Materialien hin.

Biologisch abbaubare Leiterplatten (PCBs) sind nicht verfügbar, und die meisten Biomaterialien auf Graphen- und Kohlenstoffbasis enthalten immer noch nicht nachhaltige Substrate. Herkömmliche integrierte Schaltkreise (ICs), die den größten Anteil an der Masse der in Mobiltelefonen verwendeten Leiterplatten einnehmen, verwenden Metalle, Keramiken und Polymere. Es besteht ein dringender Bedarf an biologisch abbaubaren ICs auf Basis pflanzlicher Materialien, die vollständig transiente Elektronik, einschließlich biologisch abbaubarer Schaltungselemente, ergeben. Bisher haben Fortschritte bei der Verwendung von Pilzmyzel mit Elektronik und Sensorplattformen nur zu ungünstig sperriger Elektronik geführt, die eine begrenzte Sensorleistung aufweist.

Über das Studium

In der vorliegenden Studie stellten die Forscher leichte und formadaptive Sensorpatches auf der Basis von G. lucidum-Myzelsubstrat her und hoben allgemeine Verarbeitungstechniken von Myzelhaut für die Elektronik hervor. Beispielsweise konstruierten sie Leiterbahnen, indem sie Myzeloberflächen durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) dünner Metallschichten und anschließende Laserablation metallisierten.

Die Entwicklung der Myzelhaut auf der Oberfläche wies drei unterschiedliche Phasen auf, wobei jede eine reifere Haut ergab. Die junge Hautoberfläche hatte eine hellweiße Farbe, die immer dichtere Schichten auf dem Trenngitter einnahm. Die Haut wurde dicker und dichter, und braune Flecken (oder eine raue Kruste) erschienen auf ihrer Oberfläche, die als mittlere Haut bezeichnet wird. In der dritten Phase wird die Hautoberfläche vollständig mit einer braunen Kruste bedeckt, die als reife Haut bezeichnet wird.

Diese aus lebendem Myzel bestehenden Häute wurden mit Wasser gesättigt und ergaben nach zusätzlichem Komprimieren und Trocknen endgültige Häute. Eine weitere Optimierung der Wachstumsbedingungen könnte diesen Prozess erheblich beschleunigen und stabilisieren. Nichtsdestotrotz erzielte das Team maximal fünf aufeinanderfolgende Ernten aus einem Wachstumsmedium über sechs Wochen mit ausreichender Ausbeute an Myzelhaut in guter Qualität. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) aller drei Hauttypen zeigte ihre Stabilität bis über 250 °C (Hochtemperatur). Es stellte sicher, dass dieses Substrat elektrische Komponenten auf seiner Oberseite mit standardmäßigen elektronischen Verarbeitungstechniken wie Löten halten konnte.

Ergebnisse

Die junge Myzelhaut hatte elektrische Eigenschaften, die mit Substraten auf Papierbasis vergleichbar waren; Somit könnten elektronische Schaltkreise, die unter Verwendung dieses Ansatzes hergestellt wurden, hohe Stromdichten von bis zu 333 A mm-2 aushalten. Es hatte auch eine gute Durchbruchfestigkeit, relative Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit. Darüber hinaus demonstrierten die Forscher, Myzelhäute dauerhaft in zahlreiche Geometrien zu zwingen, indem sie die Tränkbarkeit seines schaumartigen Bindestrichnetzwerks ausnutzten. Es wurde mit 2-Propanol getränkt, anschließend unter Verwendung einer Form in die gewünschte Form gebracht, und die Lufttrocknung dieser deformierten Haut in einer Umgebung ergab ein voll funktionsfähiges MycelioTronic-Gerät.

Schließlich veranschaulichten die Forscher die Formanpassungsfähigkeit von Myzelhäuten. Dazu formten sie einen Leiterstreifen samt SMD-LED (Surface Mounted Device – Light Emitting Diode) in eine spiralförmige Struktur um, ohne die Leuchtkraft der LED sichtbar zu verringern. Sie zeigten auch, wie MycelioTronic-Geräte mit einem biologisch abbaubaren Schellack-Ethanol-Lack verkapselt werden, um die elektrische Isolierung und ihre Anwendungen in der tragbaren Technologie sicherzustellen.

Die Forscher erreichten den ungebundenen Betrieb einer eigenständigen Schaltung, die direkt eine Myzelbatterie, einen kapazitiven Sensor und andere notwendige Kommunikationsmodule enthielt. Für biologisch abbaubare und nachhaltige Batterien saugte die Myzelhaut in Kombination mit einer stark ionenleitenden Elektrolytlösung große Mengen an Flüssigkeit auf und ergab eine flexible Membran.

Die Myzelhaut vom Typ Medium zeigte den niedrigsten spezifischen Widerstand, der bei dieser Elektrolytlösung so niedrig wie 54,3 ± 19,8 Ohm-cm war, was sie zu einem brauchbaren Batterieseparatormaterial machte. Außerdem erreichte es so niedrige MacMullin-Zahlen wie 6,7, was es mit kommerziellen Lithium-Ionen-Batterieseparatoren vergleichbar macht. Kommerzielle Li-Ionen-Batterien verwenden typischerweise Polyolefin-Polymer-Separatoren, da sie hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen, chemisch stabil sind und mit ausreichend kleinen Porengrößen hergestellt werden können, um Sicherheitsmechanismen zu integrieren. All dies sind jedoch nicht erneuerbare Erdölprodukte, die sowohl teuer als auch hinsichtlich der Umweltauswirkungen ungünstig sind. Im Gegenteil, Myzel-Hautseparatoren können natürlich angebaut werden und verbrauchen weniger Ressourcen als Materialien auf Papierbasis.

Darüber hinaus demonstrierte das Team eine ungebundene Myzel-Sensorplatine mit einem oberflächenmontierten Datenkommunikationsmodul, das von einer integrierten Myzel-Batterie und einem eingebetteten Impedanzsensor gespeist wird. Sie bauten diese Sensorstruktur und zwei 15 mm x 15 mm große Elektroden für die Myzelbatterie direkt in unseren Schaltkreis ein, indem sie eine mit Kupfer und Gold metallisierte Myzelhaut durch Laserablation ablösten. Außerdem untersuchten sie seine Leistung als Feuchtigkeitssensor in einer kontrollierten Umgebung mit einer Klimakammer. Sie erhöhten die relative Luftfeuchtigkeit (rH) schrittweise um 10 % auf 20 % und 70 % rH und führten bei stabilen Klimabedingungen Impedanzspektren von einem Hertz (Hz) bis 10 MHz durch.

Der Akku liefert einen hohen Betriebsstrom von ca. zwei Milliampere (mA) im Normalbetrieb und ~13,5 mA bei der Datenübertragung an die Schaltung. Wenn sich ein Objekt wie ein Finger dem Sensor näherte, änderte sich seine Ladung, da der Finger als parasitäre Kapazität wirkte, was zu deutlichen Änderungen der Sensorkapazität führte. Neben der Näherungserkennung demonstrierten sie auch die Aspirationserkennungsfähigkeiten des Sensors. Ein kurzzeitiger Anstieg der Luftfeuchtigkeit verursachte eine nachweisbare Kapazitätsänderung. Nachdem sie die direkte Aspiration beendet hatten, nahm das Signal zunächst ab, bis sie einen Bereich mit langsamerer Abnahme beobachteten, der durch an der Myzeloberfläche haftende Restfeuchtigkeit verursacht wurde. Somit könnten sie mit diesem umweltfreundlichen MycelioTronic-Design eine völlig ungebundene Näherungs- und Feuchtigkeitsmessung mit einer integrierten nachhaltigen Stromversorgung durchführen.

Der MycelioTronic-Ansatz macht den Weg frei für eine nachhaltige Elektronik mit hoher Funktionalität und Variabilität. Nach dem Ende der Lebensdauer dieser Elektronik könnten wiederverwendbare oberflächenmontierte Komponenten mit einfachen Werkzeugen wie einer Heißluftpistole oder einem Lötkolben leicht von der Platine demontiert werden, wobei nur das biologisch abbaubare Substrat als Abfallprodukt zurückbleibt. Ebenso würde das auf Myzelhaut basierende PCB nach der Entfernung der herkömmlichen ICs leicht in Kompostierungserde zerfallen. Es würde innerhalb von 11 Tagen 93,4 % seiner Trockenmasse verlieren, danach wären auch Probenreste nicht mehr vom Boden zu unterscheiden. Unverarbeitete Myzelhäute zerfallen ähnlich bis auf 9,3 % ihrer ursprünglichen Masse nach 11 Tagen.

Schlussfolgerungen

Die vollständig biologisch abbaubare Myzelhaut machte den Ersatz fossiler und stark verarbeiteter elektronischer Komponenten möglich. In Verbindung mit herkömmlichen nicht abbaubaren Schaltungskomponenten erreicht es die hohe Funktionalität aller herkömmlichen elektronischen Geräte, ohne die Nachhaltigkeit zu opfern. Dieses Pilzmaterial zeigte auch eine hohe thermische Stabilität, die aufgrund ihrer Formanpassungsfähigkeit die Herstellung elektronischer Sensorplatinen in verschiedenen Formen erleichtert.

Insgesamt demonstrierte die Studie die Vielseitigkeit von Pilzmyzel-Häuten als nachhaltige Elektronik, die einer nachhaltigeren Architektur elektronischer Geräte Platz macht.

Referenz:

• Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner. (2022). MycelioTronics: Pilzmyzelhaut für nachhaltige Elektronik. Wissenschaftliche Fortschritte. doi: 10.1126/sciadv.add7118 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add7118

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