Schlagen Sie die Verwendung von Pilzmyzelhaut für nachhaltige Elektronik vor
Forscher der Johannes Kepler Universität in Linz, Österreich, haben eine neue Art biologisch abbaubarer Elektronik entwickelt, die sie MycelioTronics nennen. Und es hat ein großes Potenzial, Elektroschrott zu reduzieren, der Hardware aller Art plagt.
Das neue Konzept basiert auf der Kultivierung und Verarbeitung der Häute eines Pilzes als biologisch abbaubares Substratmaterial für umweltfreundliche Elektronik.
Heutzutage benötigen alle elektronischen Schaltungen, die aus leitfähigen Metallen bestehen, eine isolierende und kühlende Basis, das sogenannte Substrat. Bei fast allen Computerchips besteht dieses Substrat aus nicht recycelbaren Kunststoffpolymeren, die oft am Ende der Lebensdauer des Chips entsorgt werden.
Dies trägt zu den 50 Millionen Tonnen Elektroschrott bei, die jedes Jahr produziert werden. Die ausgezeichnete thermische Stabilität und die elektrisch isolierende Natur des Merkmalsnetzwerks machen die Myzelhaut zu einem hochgradig geeigneten biologisch abbaubaren Substrat für elektronische Schaltungen.
„Das Substrat selbst ist am schwierigsten zu recyceln“, sagt Martin Kaltenbrunner von der Johannes Kepler Universität in Linz, Deutschland. „Es ist auch die meiste Elektronik und der niedrigste Wert. Wenn Sie also einige Chips haben, die wirklich viel Wert haben, möchten Sie sie vielleicht recyceln. »
Forscher haben Pilzmyzelhäute als alternatives biologisch abbaubares Substratmaterial gezüchtet und verarbeitet.
Die „Haut“ basiert auf einem Pilz, der in milden gemäßigten Klimazonen natürlicherweise auf abgestorbenem Hartholz wächst. Sie haben eine hohe thermische Stabilität und eine flexible Form, die das Löten von elektronischen Bauteilen ermöglicht und die Herstellung von elektronischen Sensorplatinen erleichtert. Zudem halten sie mehr als 2000 Biegezyklen stand.
Das Myzel kann auch in Batterien mit geringem Verbrauch verwendet werden. Die Forscher fanden heraus, dass die Myzelbatterien autonome Sensorgeräte mit Strom versorgen könnten, darunter ein Bluetooth-Modul und ein Näherungs- und Feuchtigkeitssensor. Dies ist ein wichtiger Schritt für die Nachhaltigkeit.
Es wird erwähnt, dass die Haut auf den anderen von den Forschern getesteten Pilzen nicht wuchs. Nach dem Extrahieren und Trocknen der Haut stellten sie fest, dass diese flexibel und ein guter Isolator war, Temperaturen von über 200 °C standhielt und eine Dicke ähnlich der eines Blattes Papier aufwies – gute Eigenschaften für ein Schaltungssubstrat.
Die Häute ermöglichen die Verwendung gängiger elektronischer Verarbeitungstechniken, einschließlich physikalischer Dampfabscheidung und Laserstrukturierung, um elektronische Spuren mit einer Leitfähigkeit von bis zu 9,75 ± 1,44 × 104 S cm-1 zu erhalten. Die flexiblen, anpassungsfähigen elektronischen Skins von Mycelium halten über 2000 Biegezyklen stand und können bei moderater Kraftsteigerung mehrfach gebogen werden. Wir zeigen, dass Myzelbatterien Kapazitäten von bis zu ~3,8 mAh cm-2 haben, die verwendet werden, um autonome Sensorgeräte mit Strom zu versorgen, einschließlich eines Bluetooth-Moduls und eines Näherungs- und Feuchtigkeitssensors.
Wenn die Oberfläche vor Feuchtigkeit und UV-Strahlung geschützt wird , kann sie wahrscheinlich Hunderte von Jahren halten und wäre daher ideal für die Lebensdauer eines elektronischen Geräts. Wichtig ist auch, dass sie sich in etwa zwei Wochen im Boden zersetzt und somit leicht recycelt werden kann.
Zum Verfahren wird erwähnt, dass integrierte Schaltkreise (ICs) aufgrund der hohen Dichte der verwendeten Metalle den größten Teil der Gesamtmasse von Leiterplatten (PCBs) ausmachen, es jedoch schwierig ist, biologisch abbaubare Versionen davon herzustellen.
Herkömmliche Handy-Leiterplatten bestehen beispielsweise zu 63 Gew.-% aus Metallen, zu 24 Gew.-% aus Keramik und zu 13 Gew.-% aus Polymeren.
In Bezug auf den Designteil wird Folgendes erwähnt:
(A) Foto einer Sensorplatine, die eine zweizellige Myzelbatterie, ein Bluetooth-Modul und einen Impedanzsensor mit einer interdigitalen Elektrodenstruktur umfasst.
(B) Die Impedanzantwort des Sensors hängt stark von der relativen Feuchtigkeit der Umgebung ab.
(C) Angepasste Kapazität und Widerstand der interdigitalen Sensorstruktur als Funktion der Frequenz
(D) Blockdiagramm der Sensorplatine, die während drahtloser Experimente Daten erzeugt und an einen externen PC überträgt.
(E) Ein Finger, der sich dem Sensor nähert, erzeugt deutliche Änderungen in der Kapazität des Sensors.
(F) Antwort der Sensorkapazität auf die wiederholte Annäherung der Finger in (E)
(G) Saugen an der Sensorplatte verursacht deutlich erkennbare Feuchtigkeitsänderungen.
(H) Reaktion der Kapazität auf Feuchtigkeitsänderungen in (G)
(I) Die aerobe Zersetzung von MycelioTronic-PCB-Substraten erfolgt innerhalb von 2 Wochen in Kompostiererde.
(J) Massenprozentsatz des in (I) gezeigten zerfallenden PCB-Substrats, gemessen über 11 Tage
Die veröffentlichten Arbeiten zu biologisch abbaubaren integrierten Schaltungen basieren auf Biomasse und Pflanzenmaterialien und führen zu einer vollständig transienten elektronischen Konfiguration, die abbaubare Schaltungselemente enthält.
Die Forscher erhielten kohäsive Metallfilme auf den geernteten Häuten mit einer Oberflächenrauhigkeit Rrms von 7,5 ± 1,8 μm durch physikalische Abscheidung während der Verdampfung, was eine Nachbearbeitung der Schaltung ermöglichte.
Anschließend werden Filme mit reproduzierbarer Kontinuität erhalten, indem 400 nm Kupfer als leitfähige Masse mit einer Vorabscheidung von 3 nm Chrom zur besseren Haftung abgeschieden werden. Sie verbessern die Leitfähigkeit weiter, indem sie eine zusätzliche 50 nm dicke Goldschicht auf die anfängliche Kupferschicht aufbringen.
Mit diesen jüngsten Fortschritten auf Pilzbasis könnten biologisch abbaubare Myzelhäute zu einer Klasse nachhaltiger Alternativmaterialien für eine grüne elektronische Zukunft werden und weitere Impulse für nachhaltige Batterien und Elektronik geben.
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