Schimmelmyceliumhuiden kunnen worden gebruikt als substraten voor elektronische apparaten, hebben natuurkundigen en materiaalwetenschappers in Oostenrijk aangetoond. Het team gebruikte de dunne huiden om autonome detectieapparaten te maken, bestaande uit myceliumbatterijen, een vochtigheids- en nabijheidssensor en een Bluetooth-communicatiemodule. De skins bieden niet alleen een flexibel oppervlak waarop elektrische circuits kunnen worden aangebracht, maar zijn ook biologisch afbreekbaar en kunnen helpen bij het verminderen van elektronisch afval.
De onderzoekers maakten de myceliumhuidjes van de schimmel Ganoderma lucidum, die groeit op dood hardhout in milde gematigde klimaten. Om elektronische schakelingen te maken, gebruikten ze fysieke dampafzetting om een dunne laag koper en goud op de huid aan te brengen. Metaal werd vervolgens via laserablatie van deze oppervlaktelaag verwijderd, waarbij geleidende paden achterbleven. De onderzoekers noemden deze nieuwe benadering voor het maken van flexibele en biologisch afbreekbare elektronica "MycelioTronics", waarmee ze hun werk beschrijven in Wetenschap Advances.
Het enorme aantal apparaten dat tegenwoordig wordt geproduceerd, samen met hun afnemende levensduur, leidt tot enorme hoeveelheden elektronisch afval, en de volumes nemen snel toe. Volgens de Wereldwijde e-wastemonitor 2020, werd in 53.6 een recordaantal van 2019 miljoen ton van dergelijk e-waste weggegooid – een cijfer dat naar verwachting zal stijgen tot 74.7 miljoen ton in 2030.
Ook komt er steeds meer aandacht voor de ontwikkeling van flexibele elektronica, bijvoorbeeld voor autonome sensoren voor gezondheidsmonitoring, die een levensduur hebben van slechts enkele dagen of weken. Volgens Martin Kaltenbrunner, een natuurkundige aan de Johannes Kepler Universiteit, voor dit soort elektronica zouden biologisch afbreekbare componenten zeer voordelig zijn.
"Het enige dat echt moeilijk te recyclen is, is de flexibele of printplaat... ze zijn gewoon te goedkoop en te moeilijk om in hun afzonderlijke onderdelen te scheiden", legt Kaltenbrunner uit. Wetenschappers hebben gekeken naar het vervangen van op polymeren gebaseerde printplaten in flexibele apparaten door papier, maar Kaltenbrunner zegt dat dit niet duurzaam is. Papierproductie is te water- en energie-intensief.
Papierachtige huiden
Tijdens het werken aan op paddenstoelen gebaseerde materialen voor isolatie van gebouwen, merkten Kaltenbrunner en zijn collega's dat de schimmels een dichte en compacte huid van mycelium produceerden, een netwerk van schimmeldraden. Deze huiden zagen eruit als papier en de wetenschappers vroegen zich af of ze gebruikt konden worden voor flexibele printplaten.
Het team kweekte myceliumhuiden door vochtige beukenhoutkrullen ermee te bedekken Ganoderma lucidum met een scheidingsrooster van polyethyleen en bewaar ze bij 25°C. Na voldoende schimmelgroei werd de separator van het substraat gescheurd en werd de myceliumhuid voorzichtig van de separator afgepeld. Het natte mycelium werd vervolgens gedroogd en samengeperst om de uiteindelijke huiden te produceren.
Na afzetting en laserablatie van de metaallaag testten de onderzoekers de resulterende printplaten van mycelium. Ze ontdekten dat ze een hoge geleidbaarheid en thermische stabiliteit hadden en ongeveer 2000 buigcycli konden weerstaan voordat de metaalfilm begon te barsten en de elektrische weerstand toenam. De huiden konden ook meerdere keren worden gevouwen met slechts matige weerstandsverhogingen.
Vervolgens creëerden de onderzoekers een plat stuk van 2 cm2 myceliumbatterij, met een myceliumhuid gedrenkt in een sterk ionengeleidende elektrolytoplossing (ammoniumchloride en zinkchloride) als separator, en twee myceliumhuiden als buitenmantel. Deze structuur zorgt ervoor dat een hoog percentage van de batterij biologisch afbreekbaar is, beweren ze.
Om hun concept verder te demonstreren, creëerde het team een elektronisch apparaat dat bestaat uit een myceliumbatterij, een Bluetooth-datacommunicatiemodule en een impedantiesensor die op een mycelium-printplaat is gesoldeerd. Uit tests bleek dat dit sensorapparaat een naderende vinger en veranderingen in de luchtvochtigheid in een klimaatkamer kon detecteren.
Op koolstof gebaseerde inkten maken de eerste volledig recyclebare transistors
Toen ze klaar waren met de circuits, ontdekten de onderzoekers dat ze de herbruikbare, op het oppervlak gemonteerde componenten konden verwijderen met een heteluchtpistool of een soldeerbout. Hierdoor bleef de mycelium-printplaat over, die uiteenviel in een composthoop. Binnen 11 dagen had het 93% van zijn droge massa verloren en daarna waren alle overblijfselen niet meer te onderscheiden van de grond.
"Je kunt het in je huiscompost stoppen", vertelt Kaltenbrunner Natuurkunde wereld. Hij legt uit dat dit het voordeel is van hun schimmelmaterialen ten opzichte van biologisch afbreekbare kunststoffen die specifieke omstandigheden vereisen om af te breken, "mycelium is letterlijk overal in onze natuurlijke omgeving" en de huiden zijn een volledig natuurlijk product.
