Une puce informatique fabriquée à partir de la peau d’un champignon pourrait facilement être recyclée, la base des puces et des batteries étant généralement en plastique non recyclable.

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Tous les circuits électroniques, constitués de métaux conducteurs, doivent reposer sur une base isolante et refroidissante appelée le substrat. Dans presque toutes les puces informatiques, ce substrat est constitué 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 propriétés font de la peau mycélienne un substrat biodégradable très approprié pour les circuits électroniques.

Les appareils électroniques sont irrévocablement intégrés dans nos vies. Cependant, leur durée de vie limitée et leur élimination souvent improvisée nécessitent des conceptions durables pour parvenir à un avenir électronique vert. Les chercheurs ont démontré un concept de culture et de transformation de peaux de mycélium fongique en tant que 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 le plus électronique et la valeur la plus basse. Donc, si vous avez des puces dessus qui ont en fait beaucoup de valeur, vous voudrez peut-être les recycler. »

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Les peaux permettent l’utilisation de techniques de traitement électronique courantes, notamment le dépôt physique en phase vapeur et la structuration au laser, pour obtenir des traces électroniques avec une conductivité allant jusqu’à 9,75 ± 1,44 × 104 S cm-1. Conformables et flexibles, les E-Skins de Mycelium résistent à plus de 2000 cycles de flexion et peuvent être fléchis plusieurs fois avec une augmentation modérée de la résistance. Nous montrons que les batteries mycéliennes ont des capacités allant jusqu’à ~3,8 mAh cm-2, qui sont utilisées pour alimenter des dispositifs de capteurs autonomes, notamment un module Bluetooth et un capteur d’humidité et de proximité.

Kaltenbrunner et ses collègues ont tenté d’utiliser la peau du champignon Ganoderma lucidum comme substrat électronique biodégradable. Ce champignon, qui pousse normalement sur du bois pourri, forme une peau pour protéger son mycélium, une partie ressemblant à une racine du champignon, des bactéries étrangères et d’autres champignons. La peau des autres champignons testés par les chercheurs n’a pas poussé. Lorsqu’ils ont extrait et séché la peau, ils ont constaté qu’elle était souple, bien isolée, qu’elle supportait des températures supérieures à 200°C et qu’elle était à peu près aussi épaisse qu’une feuille de papier – de bonnes qualités pour un substrat de circuit.

Tenu à l’écart de l’humidité et des rayons UV, Kaltenbrunner affirme que la peau pourrait probablement durer des centaines d’années, ce qui la rend parfaite pour la durée de vie d’un appareil électronique. Surtout, il peut également se décomposer dans le sol en environ deux semaines, ce qui le rend facilement recyclable.

Les circuits intégrés (CI) constituent la majeure partie de la masse totale des cartes de circuits imprimés (PCB) en raison de la haute densité des métaux utilisés, mais les versions biodégradables de ceux-ci sont difficiles à fabriquer. Les cartes de circuits imprimés classiques dans les téléphones portables sont constituées, par exemple, de 63 % en poids de métaux, 24 % en poids de céramiques et 13 % en poids de polymères.

Carte capteur à base de mycélium

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Les travaux publiés sur les circuits intégrés biodégradables sont basés sur la biomasse et les matériaux végétaux, résultant en une configuration électronique entièrement transitoire comprenant des éléments de circuit dégradables. Bien que prometteurs, ces circuits montrent encore une durabilité et donc une applicabilité limitée. Étant donné que le substrat est la deuxième partie la plus importante de la masse totale d’une carte de circuit imprimé (37 % en poids), le développement d’alternatives biodégradables à celui-ci est une voie viable pour une électronique durable.

En combinant des circuits intégrés traditionnels (potentiellement 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 souples sur substrats papier montrent qu’il est possible d’associer des composants CI non dégradables à une nouvelle catégorie de substrats.

Le papier avec des nanofibrilles de cellulose permet de traiter des composants électroniques sophistiqués tels que des dispositifs à micro-ondes avec de l’arséniure de gallium en surface. Cependant, le processus de fabrication du papier est gourmand en ressources, nécessitant en moyenne 300 millions de litres d’eau et 33,76 GJ d’énergie par tonne, et implique l’utilisation de grandes quantités d’acides, de solvants et de bases toxiques.

Comme alternative, les chercheurs proposent ici un nouveau matériau de substrat électronique, une « peau » mycélienne fongique basée sur le champignon saprophyte Ganoderma lucidum, qui pousse naturellement sur le bois dur mort dans les climats tempérés doux.

Formation et propriétés de la peau mycélienne

Circuits électroniques sur peau mycélienne

Les chercheurs ont obtenu des films métalliques cohésifs avec une rugosité de surface Rrms de 7,5 ± 1,8 μm sur les peaux récoltées par dépôt physique pendant l’évaporation, permettant un traitement ultérieur des circuits. Ils obtiennent des films à continuité reproductible en déposant 400nm de cuivre comme masse conductrice, avec un pré-dépôt de 3nm de chrome pour une meilleure adhésion. Ils améliorent encore la conductivité en déposant une couche supplémentaire d’or de 50 nm d’épaisseur sur la couche de cuivre initiale.

Comme alternative, les chercheurs démontrent la métallisation à l’or du mycélium déjà métallisé (cuivre) en utilisant la galvanoplastie et une solution d’électrolyte correspondante. A cet effet, le mycélium métallisé est immergé dans la solution de placage avec une anode en acier inoxydable, toutes deux connectées à une alimentation électrique, le processus de placage étant alors contrôlé par le courant appliqué. La peau mycélienne métallisée permet donc la réalisation de pistes et de plots pour cartes électroniques de manière facilement évolutive.

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La couche supplémentaire d’or est particulièrement bénéfique au niveau des plots de connexion et des joints de soudure où la corrosion du cuivre affecterait autrement les performances. Ils procèdent ensuite à l’ablation au laser des lignes conductrices dans les films métalliques mycéliens sans altérer l’intégrité mécanique du substrat sous-jacent. La conductivité des traces diminue avec l’âge de la peau car la structure de la surface change au cours du processus de croissance.

Les chercheurs ont atteint une conductivité élevée de 9,75 ± 1,44 × 104 S cm-1 sur la surface principale de la peau jeune, comparable aux conducteurs du papier d’impression conventionnel (17, 35). En général, les propriétés électriques du jeune mycélium sont similaires à celles des substrats à base de papier (18, 35) ; ils ont une rigidité diélectrique de 13,5 ± 3,7 kV mm-1, une permittivité relative de εr = 3 ± 0,9, un facteur 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, interférant ainsi avec la formation de films métalliques continus. Par conséquent, le côté B a des lectures de conductivité plus élevées pour tous les âges car peu ou pas de croûte se forme du côté faisant face au milieu de culture, contrairement au côté A, qui est en contact avec l’air ambiant. .

Un film métallique continu ne pouvait pas se former dans une peau mycélienne mature avec une croûte complètement développée. Avec cette idée à l’esprit, nous concentrerons toutes les démonstrations suivantes sur le côté massif du jeune mycélium. Les conducteurs fabriqués avec cette approche peuvent supporter des densités de courant élevées allant jusqu’à 333 Amm-2 avant qu’une panne d’électrode due à une surchauffe ne se produise. Outre la conductivité élevée, l’absence de croûtes et la faible épaisseur globale permettent une grande flexibilité des pistes conductrices réalisées.

La flexion cyclique d’un seul conducteur Cu-Au entre un rayon de courbure de 22,5 et 5 mm est possible pendant plus de 2000 cycles de flexion avec seulement une petite augmentation de résistance de 18,1 %. Les chercheurs ont obtenu un effet d’effraction au cours des premiers cycles, la résistance augmentant de 6 % au cours des 10 premiers cycles. Dans les itérations ultérieures, la résistance ne change que légèrement sur un cycle, indiquant des dommages minimes aux connexions du tableau de bord.

À environ 2000 cycles, le film métallique commence à se fissurer sur de plus grandes surfaces à chaque cycle, entraînant une forte augmentation de la résistance, similaire au comportement observé pour les dépôts métalliques sur de simples substrats polymères. Non seulement ils parviennent à plier les traces métalliques, mais ils parviennent également à plier le mycélium métallisé plusieurs fois tout en restant pleinement fonctionnels.

Conductivité des peaux mycéliennes métallisées

La conductivité d’une trace métallisée sur une peau mycélienne a été déterminée en mesurant la résistance avec un multimètre (Keithley 2110) dans une configuration à quatre fils. Tous les échantillons mycéliens sont métallisés avec une triple couche de chrome-cuivre-or (3 nm Cr, 400 nm Cu et 50 nm Au) et les traces et points souhaités ont été créés en enlevant le négatif par ablation laser avec un découpeur 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 de fabrication d’électronique durable, y compris des sources d’alimentation pour les appareils sans fil autonomes. Ils démontrent que le dépôt physique en phase vapeur de films d’or et de cuivre est combiné à une structuration assistée par laser et atteint des conductivités conductrices élevées de 9,74 ± 1,44 × 104 S cm-1. La bonne flexibilité du substrat permet de plier 2000 fois les fines pistes conductrices jusqu’à un rayon de courbure de seulement 5 mm avec une augmentation modérée de la résistance.

Les chercheurs démontrent également la fabrication de batteries à base de mycélium, remplaçant à la fois la coque et le séparateur de cellules zinc-carbone par les peaux mycéliennes durables, qui atteignent des capacités allant jusqu’à ~ 3,8 mA heure cm -2 . Ils utilisent ces batteries pour alimenter une carte de capteur de mycélium attachée qui peut 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 mycéliennes biodégradables pourraient devenir une classe de matériaux alternatifs durables pour un avenir électronique vert.

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