Une puce informatique fabriquée à partir de la peau d'un champignon pourrait être facilement recyclée,
la base des puces et des batteries est généralement constituée de plastique non recyclable
Tous les circuits électroniques, qui sont constitués de métaux conducteurs, doivent reposer sur une base isolante et refroidissante appelée substrat. Dans presque toutes les puces informatiques, ce substrat est fabriqué à partir de polymères plastiques non recyclables, qui sont souvent jetés à la fin de la vie d'une puce. Cela contribue aux 50 millions de tonnes de déchets électroniques produits chaque année. L'excellente stabilité thermique et la nature électriquement isolante du réseau de traits font de la peau de mycélium un substrat biodégradable très approprié pour les circuits électroniques.
Les appareils électroniques sont irrévocablement intégrés dans nos vies. Pourtant, leur durée de vie limitée et leur élimination souvent improvisée exigent des concepts durables pour parvenir à un avenir électronique vert. Les chercheurs ont démontré un concept de croissance et de traitement des peaux de mycélium fongique comme matériau de substrat biodégradable pour l'électronique verte. « Le substrat lui-même est le plus difficile à recycler », explique Martin Kaltenbrunner de l'université Johannes Kepler de Linz, en Allemagne. « C'est aussi la plus grande partie de l'électronique et sa valeur est la plus faible, donc si vous avez certaines puces dessus qui ont en fait une grande valeur, vous pourriez vouloir les recycler. »
Les peaux permettent d'utiliser des techniques de traitement électronique courantes, notamment le dépôt physique en phase vapeur et le modelage au laser, pour obtenir des traces électroniques dont la conductivité peut atteindre 9,75 ± 1,44 × 104 S cm-1. Les peaux électroniques conformes et flexibles du mycélium résistent à plus de 2000 cycles de flexion et peuvent être pliées plusieurs fois avec une augmentation modérée de la résistance. Nous démontrons que les batteries de mycélium ont des capacités aussi élevées que ~3,8 mAh cm-2 utilisées pour alimenter des dispositifs de détection autonomes, y compris un module Bluetooth et un capteur d'humidité et de proximité.
Kaltenbrunner et ses collègues ont essayé d'utiliser la peau du champignon Ganoderma lucidum pour servir de substrat électronique biodégradable. Ce champignon, qui pousse généralement sur du bois en décomposition, forme une peau pour protéger son mycélium, une partie du champignon ressemblant à une racine, des bactéries étrangères et des autres champignons. La peau ne s'est pas développée sur les autres champignons testés par les chercheurs. Lorsqu'ils ont extrait et séché la peau, ils ont constaté qu'elle était flexible, qu'elle était un bon isolant, qu'elle pouvait résister à des températures de plus de 200 °C et qu'elle avait une épaisseur similaire à celle d'une feuille de papier - de bonnes propriétés pour le substrat d'un circuit.
Si elle est maintenue à l'abri de l'humidité et des rayons UV, la peau pourrait probablement durer des centaines d'années, selon Kaltenbrunner, et serait donc parfaite pour la durée de vie d'un dispositif électronique. Fait important, elle peut également se décomposer dans le sol en deux semaines environ, ce qui la rend facilement recyclable.
Les circuits intégrés (CI) représentent la majorité de la masse totale des cartes de circuits imprimés (PCB), en raison de la densité élevée des métaux utilisés, mais il est difficile d'en réaliser des versions biodégradables. Les cartes de circuits imprimés conventionnels des téléphones portables, par exemple, sont composées de 63 % en poids de métaux, 24 % en poids de céramiques et 13 % en poids de polymères.
Carte de capteurs à base de mycélium
- (A) Photographie d'une carte de capteurs comprenant une batterie à deux cellules de mycélium, un module Bluetooth et un capteur d'impédance avec une structure d'électrode interdigitée. Barre d'échelle, 1 cm
- (B) La réponse d'impédance du capteur dépend fortement de l'humidité relative de l'environnement
- (C) Capacité et résistance ajustées de la structure du capteur interdigité en fonction de la fréquence
- (D) Schéma de principe de la carte du capteur générant et transférant des données à un PC externe pendant les expériences sans fil
- (E) Un doigt s'approchant du capteur entraîne des changements clairs dans la capacité du capteur. Barre d'échelle, 2 cm
- (F) Réponse de la capacité du capteur à l'approche répétée du doigt dans (E)
- (G) L'aspiration sur la carte du capteur provoque des changements d'humidité clairement détectables. Barre d'échelle, 2 cm
- (H) Réponse de la capacité aux changements d'humidité en (G)
- (I) La désintégration aérobie des substrats MycelioTronic PCB se produit en 2 semaines dans un sol en compostage. Barre d'échelle, 2 cm
- (J) Pourcentage de masse du substrat PCB en décomposition représenté en (I) mesuré sur 11 jours
Les travaux publiés sur les circuits intégrés biodégradables sont basés sur la biomasse et les matériaux végétaux, ce qui permet d'obtenir une configuration électronique entièrement transitoire comprenant des éléments de circuit dégradables. Bien que prometteurs, ces circuits présentent encore une durabilité et, par conséquent, une applicabilité limitée. Le substrat étant le deuxième contributeur principal à la masse totale d'une carte de circuits imprimés (37 % en poids), le développement d'alternatives biodégradables à celui-ci constitue une voie viable pour une électronique durable.
En combinant des circuits intégrés classiques (éventuellement réutilisables) avec un substrat biodégradable au lieu de polymères et de plastiques difficiles à recycler, il est déjà possible de réduire considérablement les déchets électroniques. Les circuits imprimés flexibles sur des substrats en papier montrent qu'il est possible de combiner des composants de CI non dégradables avec une nouvelle catégorie de substrats.
Le papier à nanofibrilles de cellulose permet de traiter des composants électroniques sophistiqués comme, par exemple, des dispositifs micro-ondes à l'arséniure de gallium sur sa surface. Cependant, le processus de production du papier est gourmand en ressources, nécessitant en moyenne 300 millions de litres d'eau et 33,76 GJ d'énergie par tonne et impliquant l'utilisation de grandes quantités d'acides, de solvants et de bases toxiques dans le processus.
Les chercheurs proposent ici un nouveau matériau de substrat électronique comme alternative, une « peau » de mycélium fongique basée sur le champignon saprophyte Ganoderma lucidum qui se développe naturellement sur du bois dur mort dans les climats tempérés doux.
Formation et propriétés de la peau du mycélium
- (A) Structure du champignon G. lucidum. Les racines du mycélium se développent à l'intérieur du milieu choisi, les fructifications se formant à la surface lors de périodes de croissance plus longues. Les souches de mycélium sont constituées de structures en trait d'union au niveau microscopique. Échelle, barre de 10 μm ;
- (B) Concept d'utilisation de la peau de mycélium comme substrat pour les dispositifs électroniques ; (C) Croissance de la peau de mycélium sur la grille de séparation PE et le substrat sous-jacent ;
- (D) Trois types distincts de peau de mycélium sont obtenus en fonction du temps de croissance. Les faces A et B font référence à la surface en contact avec l'air ambiant et la grille de séparation, respectivement ;
- (E) ATG de tous les types de mycélium avec un changement de température constant de 0,166 K/s, révélant une stabilité thermique à plus de 250 °C.
Circuits électroniques sur peau de mycélium
Les chercheurs ont obtenu des films métalliques cohésifs sur les peaux récoltées avec une rugosité de surface Rrms de 7,5 ± 1,8 μm par dépôt physique lors de la vaporisation, ce qui permet un traitement ultérieur pour les circuits. Ils obtiennent des films avec une continuité reproductible en déposant 400 nm de cuivre comme masse conductrice, avec un pré-dépôt de 3 nm de chrome pour une meilleure adhésion. Ils améliorent encore la conductivité en déposant une couche supplémentaire d'or d'une épaisseur de 50 nm sur la couche de cuivre initiale.
Comme voie alternative, les chercheurs démontrent la métallisation en or du mycélium déjà métallisé (cuivre), en utilisant l'électroplacage et une solution d'électrolyte respective. À cette fin, le mycélium métallisé est plongé dans la solution de placage avec une anode en acier inoxydable, tous deux connectés à une alimentation électrique, le processus de placage étant ensuite contrôlé par le courant appliqué. La peau de mycélium métallisée permet donc la fabrication de traces et de pastilles pour les cartes de circuits électroniques d'une manière facilement évolutive.
La couche d'or supplémentaire est particulièrement avantageuse au niveau des plots de connexion et des points de soudure, où la corrosion du cuivre réduirait autrement les performances. Ils dessinent ensuite des traces conductrices dans les films mycélium-métal par ablation laser, sans altérer l'intégrité mécanique du substrat sous-jacent. La conductivité des traces diminue avec l'augmentation de l'âge de la peau, car la structure de la surface se modifie au cours du processus de croissance.
Les chercheurs ont obtenu une conductivité élevée de 9,75 ± 1,44 × 104 S cm-1 sur la face principale de la peau jeune, comparable aux conducteurs du papier d'impression courant (17, 35). En général, les propriétés électriques du mycélium jeune sont similaires à celles des substrats à base de papier (18, 35) ; elles présentent une résistance au claquage de 13,5 ± 3,7 kV mm-1, une permittivité relative de εr = 3 ± 0,9, une tangente de perte de δ = 0,06 ± 0,01 à 1 MHz, et une conductivité de 0,27 ± 0,1 μS m-1 à 10 MHz (voir fig. S4 pour plus de détails).
Avec l'augmentation de la température de la peau, la formation d'îlots de croûtes rugueuses perturbe la continuité de la surface, nuisant ainsi à la formation de films métalliques continus. Par conséquent, le côté B présente des valeurs de conductivité plus élevées pour tous les âges, car peu ou pas de croûte se forme sur le côté faisant face au milieu de croissance, contrairement au côté A, qui est en contact avec l'air ambiant.
Pour une peau de mycélium mature avec une croûte entièrement développée, aucun film métallique continu n'a pu être formé. Avec cette idée en tête, nous concentrons toutes les démonstrations suivantes sur le côté massif du mycélium jeune. Les traces fabriquées à l'aide de cette approche peuvent supporter des densités de courant élevées, jusqu'à 333 A mm-2, avant que des défaillances de l'électrode dues à une surchauffe ne se produisent. En plus de sa haute conductivité, l'absence de croûte et la faible épaisseur globale permettent une grande flexibilité des traces fabriquées.
La flexion cyclique d'une seule trace Cu-Au entre un rayon de courbure de 22,5 et 5 mm est possible pour plus de 2000 cycles de flexion avec seulement une petite augmentation de la résistance de 18,1 %. Les chercheurs ont obtenu un effet de rodage dans les premiers cycles, où la résistance augmente de 6 % dans les 10 premiers cycles. Dans les itérations ultérieures, la résistance ne change que marginalement au cours d'un cycle, ce qui indique un dommage minime des connexions du trait d'union.
À environ 2000 cycles, le film métallique commence à se fissurer sur de plus grandes zones à chaque cycle, ce qui entraîne une forte augmentation de la résistance, de manière similaire au comportement observé dans les dépôts de métal sur des substrats polymères simples. Ils parviennent non seulement à plier les traces métalliques, mais aussi à plier plusieurs fois le mycélium métallisé tout en restant pleinement fonctionnel.
- (A) Méthodes de fonctionnalisation possibles de la peau du mycélium
- (B) Formation de films bicouches Cu et Cu-Au sur la peau du mycélium
- (C) Image SEM colorisée d'un bord ablaté au laser d'une couche Cu-Au fabriquée par PVD (3 nm de Cr, 400 nm de Cu et 50 nm d'Au) sur une peau de mycélium jeune (côté A). Barre d'échelle, 20 μm
- (D) Conductivité d'une couche PVD-Cu-Au sur une peau de mycélium jeune, moyenne et mature, côtés A et B. n = 5. N.C., non-conducteur
- (E) Résistance normalisée du jeune mycélium recouvert de Cu-Au pendant une flexion cyclique de plus de 2000 fois entre des rayons de flexion de 5 et 25 mm. La variation de la résistance en 1 cycle (en gris) diminue avec le nombre de cycles, tandis que le maximum (en bleu) augmente
- (F) Résistance normalisée de certains cycles de (E) en fonction du rayon de courbure
- (G) Image optique des traces de Cu-Au sur une jeune peau de mycélium après récupération de plusieurs plis durs imposés. Barre d'échelle, 5 mm. (H) La résistance normalisée des traces conductrices augmente avec le nombre de plis appliqués. n = 5. (I) Photographie d'une bande conductrice de peau de mycélium jeune avec une LED montée en surface remodelée en hélice. Barre d'échelle, 5 mm.
Conductivité des peaux de mycélium métallisées
La conductivité d'une trace métallisée sur une peau de mycélium a été déterminée en mesurant la résistance avec un multimètre (Keithley 2110) dans une configuration à quatre fils. Tous les échantillons de mycélium sont métallisés avec une tricouche chrome-cuivre-or (3 nm de Cr, 400 nm de Cu et 50 nm d'Au), et les traces et les plots souhaités ont été créés en enlevant le négatif par ablation laser avec un cutter laser à fibre (Trotec Speedy300 flexx). La conductivité σ a été calculée comme suit.
R est la résistance mesurée, A est la section transversale (1 mm par 450 nm), et l est la longueur (10 mm) de la trace métallique Cu-Au
Les chercheurs ont développé ici une nouvelle approche pour fabriquer l'électronique durable, y compris des sources d'énergie pour des appareils autonomes et sans fil. Ils démontrent que le dépôt physique en phase de vaporisation de films d'or et de cuivre est combiné à un modelage assisté par laser et obtiennent des conductivités de traces élevées de 9,74 ± 1,44 × 104 S cm-1. La bonne flexibilité du substrat permet de plier des traces fines 2000 fois jusqu'à un rayon de courbure de seulement 5 mm avec une augmentation modérée de la résistance.
Les chercheurs montrent également la fabrication de batteries à base de mycélium, en remplaçant à la fois l'emballage et le séparateur des cellules zinc-carbone par les peaux durables de mycélium qui atteignent des capacités allant jusqu'à ~3,8 mA heure cm-2. Ils utilisent ces piles pour alimenter une carte de capteurs mycélium non attachée, capable de mesurer, stocker et transmettre des données d'humidité et de proximité.
Tous les matériaux utilisés peuvent être compostés ou recyclés. Grâce à ces avancées, les peaux de mycélium biodégradables pourraient apparaître comme une classe de matériaux alternatifs durables pour un avenir électronique vert.
Source : SCIENCE ADVANCES
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