Pilzmyzel-Häute können als Substrate für elektronische Geräte verwendet werden, haben Physiker und Materialwissenschaftler in Österreich gezeigt. Das Team verwendete die dünnen Häute, um autonome Sensorgeräte herzustellen, die aus Myzelbatterien, einem Feuchtigkeits- und Näherungssensor und einem Bluetooth-Kommunikationsmodul bestehen. Die Häute bieten nicht nur eine flexible Oberfläche für die darauf zu bemusternden elektrischen Schaltungen, sondern sind auch biologisch abbaubar und könnten dazu beitragen, Elektroschrott zu reduzieren.
Aus dem Pilz stellten die Forscher die Myzelhäute her Ganoderma lucidum, die in milden gemäßigten Klimazonen auf abgestorbenem Hartholz wächst. Um elektronische Schaltkreise herzustellen, verwendeten sie physikalische Dampfabscheidung, um eine dünne Schicht aus Kupfer und Gold auf die Haut aufzubringen. Von dieser Oberflächenschicht wurde dann mittels Laserablation Metall entfernt, wobei Leiterbahnen zurückblieben. Die Forscher nannten diesen neuartigen Ansatz zur Herstellung flexibler und biologisch abbaubarer Elektronik „MycelioTronics“ und beschrieben ihre Arbeit in Wissenschaft Fortschritte.
Die Vielzahl der heute produzierten Geräte und deren sinkende Lebensdauer führen zu enormen Mengen an Elektroschrott, und die Mengen steigen rasant. Laut dem Globaler E-Waste-Monitor 2020, wurde 53.6 eine Rekordzahl von 2019 Millionen Tonnen solchen Elektroschrotts entsorgt – eine Zahl, die bis 74.7 voraussichtlich auf 2030 Millionen Tonnen steigen wird.
Auch die Entwicklung flexibler Elektronik, beispielsweise für autonome Sensoren zur Gesundheitsüberwachung, mit einer Lebensdauer von nur wenigen Tagen oder Wochen, rückt zunehmend in den Fokus. Entsprechend Martin Kaltenbrunner, Physiker an der Johannes Kepler Universität, wären für diese Art von Elektronik biologisch abbaubare Bauteile sehr vorteilhaft.
„Das einzige, was wirklich schwierig zu recyceln ist, sind die flexiblen oder gedruckten Leiterplatten … sie sind einfach zu billig und zu schwer in ihre Einzelteile zu trennen“, erklärt Kaltenbrunner. Wissenschaftler haben versucht, polymerbasierte Leiterplatten in flexiblen Geräten durch Papier zu ersetzen, aber Kaltenbrunner sagt, dass dies nicht nachhaltig ist. Die Papierherstellung ist zu wasser- und energieintensiv.
Papierähnliche Häute
Bei der Arbeit an pilzbasierten Materialien zur Gebäudeisolierung bemerkten Kaltenbrunner und seine Kollegen, dass die Pilze eine dichte und kompakte Haut aus Myzel, einem Netzwerk aus Pilzfäden, produzieren. Diese Häute sahen aus wie Papier und die Wissenschaftler fragten sich, ob sie für flexible Leiterplatten verwendet werden könnten.
Das Team züchtete Myzelhäute, indem es feuchte, damit geimpfte Buchenholzspäne bedeckte Ganoderma lucidum mit einem Polyethylen-Trenngitter und Lagerung bei 25°C. Nach ausreichendem Pilzwachstum wurde der Separator vom Substrat abgerissen und die Myzelhaut vorsichtig vom Separator abgezogen. Das nasse Myzel wurde dann getrocknet und komprimiert, um die fertigen Häute herzustellen.
Nach der Abscheidung und Laserablation der Metallschicht testeten die Forscher die resultierenden Myzel-Leiterplatten. Sie fanden heraus, dass sie eine hohe Leitfähigkeit und thermische Stabilität aufwiesen und etwa 2000 Biegezyklen standhalten konnten, bevor der Metallfilm zu reißen begann und der elektrische Widerstand zunahm. Die Felle ließen sich auch bei nur mäßigen Widerstandssteigerungen mehrfach falten.
Als nächstes erstellten die Forscher eine flache, 2 cm2 Myzelbatterie mit einer in einer hochionenleitenden Elektrolytlösung (Ammoniumchlorid und Zinkchlorid) getränkten Myzelhaut als Separator und zwei Myzelhäuten als Außenhülle. Diese Struktur führt dazu, dass ein hoher Prozentsatz der Batterie biologisch abbaubar ist, behaupten sie.
Um ihr Konzept weiter zu demonstrieren, schuf das Team ein elektronisches Gerät, das aus einer Myzelbatterie, einem Bluetooth-Datenkommunikationsmodul und einem auf eine Myzelleiterplatte gelöteten Impedanzsensor besteht. Tests zeigten, dass dieses Sensorgerät in der Lage war, einen sich nähernden Finger und Änderungen der Luftfeuchtigkeit in einer Klimakammer zu erkennen.
Tinten auf Kohlenstoffbasis stellen die ersten vollständig recycelbaren Transistoren her
Sobald sie mit den Schaltkreisen fertig waren, stellten die Forscher fest, dass sie die wiederverwendbaren oberflächenmontierten Komponenten mit einer Heißluftpistole oder einem Lötkolben entfernen konnten. Übrig blieb die Myzelleiterplatte, die auf einem Komposthaufen zerfiel. Innerhalb von 11 Tagen hatte es 93 % seiner Trockenmasse verloren und danach waren alle Überreste nicht mehr von der Erde zu unterscheiden.
„Sie können es in Ihren Haushaltskompost geben“, sagt Kaltenbrunner Physik-Welt. Er erklärt, dass dies der Vorteil ihrer Pilzmaterialien gegenüber biologisch abbaubaren Kunststoffen ist, die bestimmte Abbaubedingungen erfordern, „Myzel ist buchstäblich überall in unserer natürlichen Umgebung“ und die Häute sind ein völlig natürliches Produkt.
