Skinn från svampmycel kan användas som substrat för elektroniska enheter, har fysiker och materialforskare i Österrike visat. Teamet använde de tunna skalen för att skapa autonoma avkänningsenheter bestående av myceliumbatterier, en fuktighets- och närhetssensor och en Bluetooth-kommunikationsmodul. Förutom att ge en flexibel yta för elektriska kretsar att mönstras på, är skalen biologiskt nedbrytbara och kan hjälpa till att minska elektroniskt avfall.
Forskarna tog fram mycelhuden från svampen Ganoderma lucidum, som växer på död lövträ i milt tempererat klimat. För att skapa elektroniska kretsar använde de fysisk ångavsättning för att lägga ett tunt lager av koppar och guld på huden. Metall avlägsnades sedan från detta ytskikt via laserablation, vilket lämnade efter sig ledande banor. Forskarna kallade denna nya metod för att skapa flexibel och biologiskt nedbrytbar elektronik "MycelioTronics", och beskrev deras arbete i Vetenskap Förskott.
Det stora antalet enheter som produceras idag, tillsammans med deras minskande livslängd, leder till enorma mängder elektroniskt avfall, och volymerna ökar snabbt. Enligt Global E-Waste Monitor 2020, slängdes rekordstora 53.6 miljoner ton sådant e-avfall 2019 – en siffra som beräknas öka till 74.7 miljoner ton år 2030.
Det finns också ett ökande fokus på utvecklingen av flexibel elektronik, för till exempel autonoma sensorer för hälsoövervakning, som har en livslängd på bara dagar eller veckor. Enligt Martin Kaltenbrunner, fysiker vid Johannes Kepler University, för dessa typer av elektronik skulle biologiskt nedbrytbara komponenter vara mycket fördelaktiga.
"Det enda som är riktigt svårt att återvinna är det flexibla eller tryckta kretskortet... de är helt enkelt för billiga och för svåra att separera i sina enskilda delar," förklarar Kaltenbrunner. Forskare har tittat på att ersätta polymerbaserade kretskort i flexibla enheter med papper, men Kaltenbrunner säger att detta inte är hållbart. Pappersproduktionen är för vatten- och energikrävande.
Pappersliknande skinn
Under arbetet med svampbaserade material för byggnadsisolering märkte Kaltenbrunner och hans kollegor att svamparna producerade en tät och kompakt hud av mycel, som är ett nätverk av svamptrådar. Dessa skinn såg ut som papper och forskarna undrade om de kunde användas för flexibla kretskort.
Teamet odlade mycelskinn genom att täcka fuktiga bokträspån som inokulerats med Ganoderma lucidum med ett polyetenseparatorgaller och förvara dem vid 25°C. Efter tillräcklig svamptillväxt revs separatorn av substratet och mycelhuden skalades försiktigt av separatorn. Det våta myceliet torkades sedan och komprimerades för att producera de slutliga skinnen.
Efter avsättning och laserablation av metallskiktet testade forskarna de resulterande myceliumkretskorten. De fann att de hade hög ledningsförmåga och termisk stabilitet och kunde motstå cirka 2000 böjningscykler innan metallfilmen började spricka och det elektriska motståndet ökade. Skinnen kunde också vikas flera gånger med endast måttlig ökning av motståndet.
Därefter skapade forskarna en platt, 2 cm2 mycelbatteri, med ett mycelium indränkt i en starkt jonledande elektrolytlösning (ammoniumklorid och zinkklorid) som separator, och två mycelhudar som ytterhölje. Denna struktur resulterar i att en hög andel av batteriet är biologiskt nedbrytbart, hävdar de.
För att ytterligare demonstrera sitt koncept skapade teamet en elektronisk enhet bestående av ett myceliumbatteri, en Bluetooth-datakommunikationsmodul och en impedanssensor lödd på ett myceliumkretskort. Tester visade att denna sensorenhet kunde detektera ett närmande finger och förändringar i luftfuktighet i en klimatkammare.
Kolbaserade bläck gör de första helt återvinningsbara transistorerna
När de var klara med kretsarna fann forskarna att de kunde ta bort de återanvändbara ytmonterade komponenterna med hjälp av en värmepistol eller lödkolv. Detta lämnade mycelkretskortet, som sönderföll i en komposthög. Inom 11 dagar hade den förlorat 93 % av sin torra massa och efter denna tidpunkt kunde eventuella rester inte särskiljas från jorden.
"Du kan lägga det i din hushållskompost", berättar Kaltenbrunner Fysikvärlden. Han förklarar att detta är fördelen med deras svampmaterial framför biologiskt nedbrytbar plast som kräver specifika förhållanden för att brytas ned, "mycel finns bokstavligen överallt i vår naturliga miljö" och skinnen är en helt naturlig produkt.
