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...