В скорошно проучване, публикувано в Науката напредваИзследователите предложиха нов подход за разработване на гъвкава и биоразградима електроника, наречена MycelioTronics, която може да замени материала на електронния субстрат.
В допълнение, изследователите съобщават за метод за ефективен, мащабируем растеж и събиране на този материал, базиран на микобактериална “кожа”, получена от естествено растяща сапрофитна гъба, Ганодерма луцидум.
заден план
Електронните устройства, включително носими устройства (като мобилни телефони) и свързани устройства, са интегрирани в човешкия живот безвъзвратно. Поради ограничения си живот, те генерират огромни количества електронни отпадъци, което възпрепятства реализирането на зелено електронно бъдеще. Мрачното състояние сочи към предизвикателства при производството на електронни устройства с устойчиви материали.
Биоразградимите печатни платки (PCBs) не са налични и повечето базирани на графен и въглерод биоматериали все още включват неустойчиви субстрати. Конвенционалните интегрални схеми (IC), които заемат най-високия масов процент от печатните платки, използвани в мобилните телефони, използват метали, керамика и полимери. Спешно са необходими биоразградими интегрални схеми, базирани на растителни материали, водещи до напълно преходна електроника, включително елементи на биоразградими схеми. Към днешна дата напредъкът в използването на микоризни гъбички с електроника и сензорни платформи е дал само неблагоприятна обемна електроника, която показва ограничена сензорна производителност.
относно ученето
В това проучване изследователите са направили леки, адаптивни към формата сензорни лепенки, базирани на G Ярък Субстрат от мицел и общи техники за втвърдяване, характерни за кожата на мицела на електрониката. Например, те изградиха проводими пътища чрез минерализиране на гъбични повърхности чрез физическо отлагане на пари (PVD) на тънки метални слоеве и последваща лазерна аблация.
Развитието на кожата на гъбите на повърхността показва три различни етапа, всеки от които произвежда по-зряла кожа. Повърхността на кожата на момчето имаше ярко бял цвят, който заемаше все по-плътни слоеве върху разделителната решетка. Кожата стана по-плътна и по-плътна и по повърхността й се появиха кафяви петна (или грапава кора), наричани мезодерма. В третия етап повърхността на кожата е напълно скрита от кафява кора, наричана зряла кожа.
Тези кожи, съставени от живи гъбички, бяха наситени с вода и произвеждаха готови кожи след допълнително пресоване и сушене. Подобряването на условията за отглеждане може значително да ускори и стабилизира този процес. Екипът обаче постигна максимум пет последователни култури от една хранителна среда за период от шест седмици с достатъчно производство на доброкачествен гъбичен епидермис. Термогравиметричният анализ (TGA) и на трите кожи показа стабилност до над 250°C (висока температура). Уверих се, че този субстрат може да държи електрическите компоненти отгоре, използвайки стандартни електронни техники за обработка, като например запояване.
последствия
Младата гъбична кожа притежава подобни електрически свойства като хартиените субстрати. По този начин електронните схеми, произведени с помощта на този подход, могат да поддържат висока плътност на тока до 333 mM-2. Освен това има добра якост на скъсване, относителна диелектрична проницаемост и проводимост. Освен това, изследователите демонстрираха постоянно принуждаване на гъбичните кожи в няколко геометрии чрез използване на абсорбцията на подобната на пяна мрежа от хифи. Накисването в 2-пропанол, след което повторното й оформяне в желаната форма с помощта на калъп и изсушаването на тази деформирана кожа в околна среда доведе до напълно функционален MycelioTronic.
И накрая, изследователите показват колко адаптирани са формите на кожата на гъбичките. За тази цел те преконфигурираха проводяща лента, включително устройство за повърхностен монтаж – светодиод (SMD-LED), в спирална структура, без видимо да намаляват осветеността на светодиода. Те също така демонстрираха как да покрият устройствата MycelioTronic с биоразградим лак етанол, за да осигурят електрическа изолация и приложенията му в носими технологии.
Изследователите постигнаха необвързана работа на самостоятелна верига, която включва директно мицелна батерия, капацитивен сензор и други необходими комуникационни модули. За биоразградимите и устойчиви батерии кожата на мицела абсорбира големи количества течност с електролитен разтвор, който е силно проводим за йони, което води до гъвкава мембрана.
Гъбичната кожа от среден тип показва най-ниското специфично съпротивление, достигащо 54,3 ± 19,8 ома-см С този електролитен разтвор, което го прави жизнеспособен материал за разделяне на батерии. Освен това числата на MacMullin достигат до 6,7, което ги прави сравними с търговските сепаратори за литиево-йонни батерии. Търговските литиево-йонни батерии обикновено използват полиолефинови полимерни сепаратори, тъй като те имат отлични механични свойства, химически са стабилни и могат да бъдат произведени с достатъчно малки размери на порите, за да включат механизми за безопасност. Всички тези петролни продукти обаче са невъзобновяеми, скъпи и неблагоприятни по отношение на въздействието върху околната среда. Напротив, гъбичните сепаратори на кожата могат да се отглеждат естествено и да консумират по-малко ресурси от листните материали.
Освен това, екипът демонстрира неограничена сензорна платка за гъбички с повърхностно монтиран комуникационен модул за данни, поддържан от интегрирана мицелна батерия и вграден резистивен сензор. Те директно интегрираха тази сензорна структура и два 15 mm × 15 mm гъбични батерийни електрода в нашата верига чрез лазерна аблация на метална медна и златна мицелна кожа. Освен това те изследваха неговата ефективност като сензор за влажност в контролирана среда, използвайки климатична камера. Те постепенно увеличиха относителната влажност (rH) с 10% до 20% и 70% rH, за да изведат импедансни спектри от един херц (Hz) до 10MHz при стабилни метеорологични условия.
Батерията осигурява висок работен ток от приблизително 2 милиампера (mA) при стандартна работа и приблизително 13,5 mA по време на предаване на данни към веригата. Когато обект като пръст се доближи до сензора, зарядът му се променя, тъй като пръстът действа като паразитен капацитет, което води до различни промени в капацитета на сензора. В допълнение към отчитането на близостта, те също демонстрираха възможностите на сензора за отчитане на аспирация. Краткотрайно повишаване на влагата причини забележима промяна в капацитета. След като завършиха директната аспирация, сигналът първо намаля, докато не наблюдаваха област на по-бавно падане, причинена от остатъчна влага, полепнала по повърхността на мицела. По този начин те могат да извършват напълно неограничено отчитане на близост и влажност с интегрирано устойчиво захранване, използвайки екологичния дизайн MycelioTronic.
Подходът на MycelioTronic се поддава на устойчива електроника с висока функционалност и гъвкавост. След като животът на тази електроника изтече, повърхностно монтираните компоненти за многократна употреба могат лесно да бъдат разглобени от платката с помощта на прости инструменти като термопистолет или поялник, оставяйки само биоразградимия субстрат като отпадъчен продукт. По същия начин, базираните на гъбички ПХБ лесно ще се разпаднат в компостна почва след отстраняване на конвенционалните интегрални схеми. Той ще загуби 93,4% от сухата си маса в рамките на 11 дни, след което остатъкът от пробата също ще бъде неразличим от почвата. Нереципрочно третирани мицелни кожи се разпадат до 9,3% от първоначалната им маса след 11 дни.
заключения
Тъй като кожата на гъбите е напълно биоразградима, това направи възможна замяната на базирани на изкопаеми и силно обработени електронни компоненти. Когато се комбинира с неразградими конвенционални компоненти на веригата, той постига високата функционалност на всички конвенционални електронни устройства, без да жертва устойчивостта. Този гъбичен материал също показа висока термична стабилност, която улеснява производството на електронни сензорни платки в различни форми поради неговата адаптация на формата.
Като цяло, проучването показа разнообразието от микоризни гъбични кожи като устойчива електроника, отстъпвайки място на по-устойчива архитектура за електронни устройства.