Stel voor om schimmelmyceliumhuid te gebruiken voor duurzame elektronica
Onderzoekers van de Johannes Kepler Universiteit in Linz, Oostenrijk hebben een nieuw type biologisch afbreekbare elektronica ontwikkeld die ze MycelioTronics noemen. En het heeft een groot potentieel om de e-waste te verminderen die allerlei soorten hardware teistert.
Het nieuwe concept is gebaseerd op het kweken en verwerken van de huiden van een schimmel als biologisch afbreekbaar substraatmateriaal voor milieuvriendelijke elektronica.
Momenteel moeten alle elektronische circuits, die gemaakt zijn van geleidende metalen, rusten op een isolerende en koelende basis die een substraat wordt genoemd. In bijna alle computerchips is dit substraat gemaakt van niet-recyclebare kunststofpolymeren, die vaak aan het einde van de levensduur van een chip worden weggegooid.
Dit draagt bij aan de 50 miljoen ton e-waste die jaarlijks wordt geproduceerd. De uitstekende thermische stabiliteit en elektrisch isolerende aard van het feature-netwerk maken myceliumhuid tot een zeer geschikt biologisch afbreekbaar substraat voor elektronische schakelingen.
"Het substraat zelf is het moeilijkst te recyclen", zegt Martin Kaltenbrunner van de Johannes Kepler Universiteit in Linz, Duitsland. “Het is ook de meeste elektronica en het is de laagste waarde, dus als je chips hebt die echt veel waarde hebben, wil je ze misschien recyclen. »
Onderzoekers hebben schimmelmyceliumhuiden gekweekt en verwerkt als alternatief biologisch afbreekbaar substraatmateriaal.
De "schil" is gebaseerd op een schimmel die van nature groeit op dood hardhout in milde gematigde klimaten. Ze hebben een hoge thermische stabiliteit en een flexibele vorm, waardoor elektronische componenten kunnen worden gesoldeerd en elektronische sensorkaarten kunnen worden vervaardigd. Bovendien zijn ze bestand tegen meer dan 2000 buigcycli.
Het mycelium kan zelfs in batterijen met een laag verbruik worden gebruikt. De onderzoekers ontdekten dat de myceliumbatterijen autonome detectieapparaten kunnen aandrijven, waaronder een Bluetooth-module en een nabijheids- en vochtigheidssensor. Dit is een belangrijke stap voor duurzaamheid.
Er wordt vermeld dat de huid niet groeide op de andere schimmels die door de onderzoekers werden getest. Toen ze de huid extraheerden en droogden , bleek deze flexibel te zijn, een goede isolator, bestand tegen temperaturen van meer dan 200 °C en met een dikte vergelijkbaar met die van een vel papier – goede eigenschappen voor een printplaatsubstraat.
De skins maken het gebruik van gangbare elektronische verwerkingstechnieken mogelijk, waaronder fysieke dampafzetting en laserpatronen, om elektronische sporen te verkrijgen met geleidbaarheid tot 9,75 ± 1,44 × 104 S cm-1. Mycelium's flexibele, zich conformerende elektronische skins zijn bestand tegen meer dan 2000 flexcycli en kunnen meerdere keren worden gebogen met een matige krachttoename. We tonen aan dat myceliumbatterijen een capaciteit hebben tot ~3,8 mAh cm-2 die worden gebruikt om autonome detectieapparaten van stroom te voorzien, waaronder een Bluetooth-module en een nabijheids- en vochtigheidssensor.
Als het beschermd wordt tegen vocht en UV-straling , kan de skin waarschijnlijk honderden jaren meegaan en is het daarom perfect geschikt voor de levensduur van een elektronisch apparaat. Belangrijk is ook dat het binnen ongeveer twee weken in de grond kan worden afgebroken, waardoor het gemakkelijk te recyclen is.
Over het proces wordt vermeld dat geïntegreerde schakelingen (IC's) het grootste deel van de totale massa van printplaten (PCB's) uitmaken, vanwege de hoge dichtheid van de gebruikte metalen, maar het is moeilijk om er biologisch afbreekbare versies van te maken.
Conventionele printplaten voor mobiele telefoons zijn bijvoorbeeld samengesteld uit 63 gew.% metalen, 24 gew.% keramiek en 13 gew.% polymeren.
Met betrekking tot het ontwerpgedeelte wordt het volgende vermeld:
(A) Foto van een sensorbord bestaande uit een tweecellige myceliumbatterij, een Bluetooth-module en een impedantiesensor met een interdigitale elektrodestructuur.
(B) De impedantierespons van de sensor is sterk afhankelijk van de relatieve vochtigheid van de omgeving.
(C) Aangepaste capaciteit en weerstand van de interdigitale sensorstructuur als functie van de frequentie
(D) Blokschema van het sensorbord dat gegevens genereert en overdraagt naar een externe pc tijdens draadloze experimenten.
(E) Een vinger die de sensor nadert, produceert duidelijke veranderingen in de capaciteit van de sensor.
(F) Reactie van de sensorcapaciteit op de herhaalde nadering van de vingers in (E)
(G) Zuigkracht op de sensorplaat veroorzaakt duidelijk waarneembare vochtigheidsveranderingen.
(H) Respons van capaciteit op vochtigheidsveranderingen in (G)
(I) Aërobe afbraak van MycelioTronic PCB-substraten vindt binnen 2 weken plaats in composterende grond.
(J) Massapercentage rottend PCB-substraat getoond in (I) gemeten gedurende 11 dagen
Het gepubliceerde werk over biologisch afbreekbare geïntegreerde schakelingen is gebaseerd op biomassa en plantaardig materiaal, wat resulteert in een volledig tijdelijke elektronische configuratie met afbreekbare circuitelementen.
De onderzoekers verkregen cohesieve metaalfilms op de geoogste huiden met een oppervlakteruwheid Rrms van 7,5 ± 1,8 μm door fysieke afzetting tijdens verdamping, waardoor nabewerking van de circuits mogelijk was.
Vervolgens worden films met reproduceerbare continuïteit verkregen door 400 nm koper af te zetten als een geleidende massa, met een voorafzetting van 3 nm chroom voor een betere hechting. Ze verbeteren de geleidbaarheid verder door een extra 50 nm dikke laag goud af te zetten bovenop de eerste laag koper.
Met deze recente ontwikkelingen op basis van paddenstoelen kunnen biologisch afbreekbare myceliumhuiden naar voren komen als een klasse van duurzame alternatieve materialen voor een groene elektronische toekomst en een verdere impuls geven aan duurzame batterijen en elektronica.
Als u hier meer over wilt weten , kunt u de details vinden via de volgende link.