ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

آیا ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ امکان پذیر است؟ وسایل الکترونیکی در زمینه‌های مختلف با کاربردهای مختلف از صنعت روباتیک گرفتهِ تا کاربردهای پزشکی و کالاهای الکترونیکی مصرفی (موبایل، کامپیوتر و غیره) در زندگی امروز ما حاضر هستند. استفادهِ از تراشه الکترونیکی به طور فزاینده‌ای رو به افزایش می‌باشد.

دستگاه‌های الکترونیکی که هر روز به تعداد زیاد تولید می‌شوند. همچنین کاهش طول عمر این دستگاه‌ها ناگزیر منجر به تولید مقادیر زیادی زباله الکترونیکی می‌شود. چرخه بازیافت این دستگاه‌ها به تنهایی نمی‌تواند بحران رو به رشد زباله الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) در جهان را حل کند.

بنابراین، تحقیقات روی مواد الکترونیکی، باید تمرکز خود را از بالا بردنِ راندمان‌بازیافت به رویکردهای دیگر نظیر مواد زیست تخریب پذیر که مقرون‌به‌صرفهِ باشد تغییر دهد.

ابزارک های الکترونیک یا دستگاه‌‌های پوشیدنی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در تعامل نزدیک با کاربر خود عمل کنند. برای این منظور باید وسایل الکترونیکی معمولی مانند ترانزیستورها را با حسگرها ترکیب کنند که امکان جمع‌ آوری سیگنال‌ها را فراهم می‌کند.

با این حال، ساخت چنین دستگاه‌های هوشمند با مواد عالی و زیست تخریب پذیر هنوز یک چالش بزرگ است.

توسعه ابزارک های پوشیدنی از جنس پوسته میسلیوم قارچ

بیومواد کربنی از جمله نانولوله‌های کربنی و گرافن به دلیل ویژگی‌های الکترونیکی و مکانیکی عالی خود امیدوارکنندهِ هستند. این امر ممکن است به ساخت کلاس جدیدی از مدارهای الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) منجر شوند. با این حال اکثر دستگاه‌های الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) ساخته‌شدهِ هنوز از مواد غیرطبیعی استفادهِ می‌کنند.

به عنوان مثال، حسگرهای جدید که از پنبه کربنی ساختهِ شده‌اند عملکرد حسی خوب نشان می‌دهند. همچنین الاستومر مبتنی بر سیلیکون، پلی‌دی‌متیل سیلوکسان را نیز در کامپوزیت خود دارند.

با این حال، برای تحقق بخشیدن به قطعات الکترونیک ( تراشه الکترونیکی ) واقعاً پایدار و زیست تخریب پذیر، هر جزء از یک دستگاه باید با جایگزین‌های بی خطر برای محیط زیست مثل میسلیوم قارچ جایگزین شود.

میسلیوم قارچ (mycelium) در واقع همان ریشه قارچ می‌باشد. میسیلیوم شبکه‌ای متشکل از رشته‌های در هم پیچیده با نام هیف قارچ می‌باشد.

مدارهای مجتمع (IC ها) اکثریت جرم کل بردهای مدار چاپی (PCB) را تشکیل می‌دهند. اما به دلیل چگالی بالای فلزات مورد استفاده، ساخت نسخه‌های زیست تخریب پذیر آن‌ها دشوار می‌باشد.

برای مثال PCB های معمولی موجود در تلفن های همراه از 63 درصد وزن فلزات، 24 درصد وزن سرامیک و 13 درصد وزن پلیمرها تشکیل شده‌اند. نظریه ساخت تراشه‌های الکترونیکی و باتری ها از قارچ یک امر جالب و خوب می‌تواند باشد.

 

آی‌سی‌های زیست تخریب‌ پذیر مبتنی بر مواد گیاهی

در تحقیقات جدید آی‌سی‌های زیست تخریب‌ پذیر مبتنی بر مواد گیاهی ساخته‌شده‌است. جریان الکترونیکی کاملاً یکنواخت را از خود گذر میدهند. این نتایج اگرچه امیدوار کننده‌هستند، اما در حال حاضر عملکرد این آی سی ها محدود است و دوام کمی دارند. پس هنوز به تحقیقات و آزمایشات بیشتری نیاز است و راهِ‌درازی تا جایگزینی این مواد با مواد نفتی باقی مانده‌است.

با توجه به اینکه بستر دومین عامل اصلی در جرم کل PCB (37 درصد وزنی) است. توسعه جایگزین‌ های زیست تخریب‌ پذیر از این قبیل به عنوان مسیری مناسب برای الکترونیک پایدار عمل می‌کند.

ساخت بلندگو از میسلیوم قارچ و مواد زیست تخریب پذیر یکی دیگر از این آزمایشات موفقیت آمیز هست که توسط یک داشجو بکار گرفتهِ شده‌است. در صورت تمایل می‌توانید آن را مطالعه کنید.

با ترکیب IC های معمولی (در نهایت قابل استفاده مجدد) با یک بستر زیست تخریب پذیر به جای پلیمرها و پلاستیک های بازیافت سخت، زباله‌های الکترونیکی ( مانند تراشه الکترونیکی ) را می‌توان به میزان قابل توجهی کاهش داد.

PCB های انعطاف پذیر روی بسترهای کاغذی امکان ترکیب اجزای IC غیرقابل تجزیه با یک کلاس جدید از بسترها را نشان می دهند. کاغذ نانو فیبریل سلولزی امکان پردازش را در لوازم الکترونیکی پیچیدهِ (مانند دستگاه های مایکروویو آرسنید گالیم) روی سطح آن فراهم می کند.

با این حال، فرآیند تولید کاغذ به طور متوسط ​​به 300 میلیون لیتر آب و 33.76 GJ انرژی در هر تن نیاز دارد و شامل استفاده از مقادیر زیادی اسیدها، حلال ها و بازهای سمی در این فرآیند می‌شود.

 

نتایج تحقیقات ساخت تراشه و برد الکترونیک انعطاف پذیر و زیست تخریب پذیر به نام MycelioTronics

این تحقیقات توسط یک تیم از محققان اتریشی به سرپرستی دکتر مارتین کالتن برونر صورت گرفته‌است. نتایج آن به شرح زیر می‌باشد:

ما در اینجا یک مادهِ بستر الکترونیکی جدید را به عنوان جایگزین پیشنهاد می‌کنیم. یعنی پوسته نازک تشکیل شدهِ از میسلیوم قارچی مبتنی بر قارچ گانودرما Ganoderma lucidum که به طور طبیعی روی چوب سخت مرده در آب و هوای معتدل رشد می کند(A شکل 1).

در این رویکرد جدید به سمت برد الکترونیک انعطاف پذیر و زیست تخریب پذیر به نام MycelioTronics پیش میرویم. میسلیوم قارچی خالص خواص الکترونیکی و مکانیکی امیدوار کننده‌ای را نشان می‌دهد که نزدیک به میکروفوم‌ های پلیمری با کارایی بالا می‌باشد. نسبت به سایر بیوموادهای رشد یافته، برای محیط‌زیست هم کم خطر تر می‌باشد.

این بردهای میسیلیومی کاملاً زیست تخریب پذیر هستند، بنابراین جایگزینی مناسب برای اجزای الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) مبتنی بر فسیل و فراورده‌های نفتی میباشد. در این روش مواد قارچی با اجزای غیرقابل تجزیه معمولی مدار ترکیب شدهِ و برد الکترونیکی را تشکیل میدهد (قسمت B شکل 1).

پیشرفت‌های اخیر در این زمینه یعنی استفاده از بیومواد یا بطور نامطلوب حجیم هستند یا عملکرد محدودی از خود نشان می‌دهند. اما ساخت حسگر مستقل سبک وزن و سازگار با محیط زیست بر اساس یک بستر قارچی رشد یافته نشان دهندهِ پیشرفتی بزرگ در این زمینه‌می‌باشد.

روش هادی کردن پوست میسلیوم جهت عبور جریان الکتریکی

در این روش برای هادی کردن پوست میسلیوم جهت عبور جریان الکتریکی، مسیرهای هادی را با فلز کردن سطوح میسلیوم از طریق رسوب فیزیکی بخار (PVD) و تشکیل لایه‌های فلزی نازک و لیزری می‌‌کنند.

مارتین کالتنبرونر از دانشگاه یوهانس کپلر در لینز آلمان می‌گوید: «بازیافت بستر الکترونیکی دشوارترین مرحله است. اما تولید زباله الکترونیکی با گانودرما یکی از روش های موثر و قشنگ برای حفظ محیط زیست است.

بعد از این فرایند پوسته میسلیوم ما پایداری و تحمل حرارتی بالایی را از خود نشان می‌دهد. این امر اجازه می‌دهد تا قطعات الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) لحیم کاری شود. با این روش ساخت بردها و حسگرهای الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) آسان‌تر می‌شود.

زیرا سازگاری شکل آن محدود به هندسه مسطح نیست و ما را به معماری پایدارتر دستگاه‌های الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) ساختهِ شدهِ از بیومواد نزدیک می‌کند.

علاوه بر این، نوع جدیدی از باتری‌های میسلیوم را می‌توان ساخت که از پوسته‌های قارچی هم به عنوان جداکننده سلول های باتری و هم به عنوان پوشش باطری استفادهِ می‌کند.

با این روش به عملکرد بدون اتصال یک مدار مستقل دست می‌یابیم که مستقیماً باتری میسلیوم ما، یک حسگر خازنی را در خود جای دادهِ است.

شکل 1 ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

(A) ساختار قارچ G. lucidum . ریشه‌های میسلیوم در محیط انتخاب شدهِ رشد می‌کنند و در زمان‌های رشد طولانی‌تر، بدن‌های میوه‌دهی روی سطح تشکیل می‌شوند. سویه های میسلیوم از ساختارهای خط فاصله در سطح میکروسکوپی تشکیل شده اند. مقیاس، نوار 10 میکرومتر.

(B) مفهوم استفاده از پوست میسلیوم به عنوان بستر برای وسایل الکترونیکی.

(C) رشد پوست میسلیوم روی شبکه جداکننده پلی اتیلن و بستر زیرین.

(D) سه نوع متمایز از پوست میسلیوم بسته به زمان رشد به دست می آید. ضلع A و B به ترتیب به سطح در تماس با هوای اطراف و شبکه جداسازی اشاره دارد.

(E) TGA تمام انواع میسلیوم با تغییر دمای ثابت 0.166 K/s که پایداری حرارتی را تا بیش از 250 درجه سانتیگراد نشان می دهد.

رشد، برداشت و خصوصیات پوسته میسلیوم

در این روش نوین ما پوسته‌های میسلیوم خود را با پوشاندن‌تلقیح‌های مرطوب مبتنی بر چوب راش با یک شبکه جداسازی پلی اتیلن (PE) و نگهداری آن ها در دمای 25 درجه‌سانتیگراد می‌سازیم. محیط مرطوب و غنی از CO ₂ باعث رشد قارچ گانودرما G. lucidum و تشکیل پوست‌های میسلیوم در سطح می‌شود. ( شکل 2 قسمت C )

رشد و توسعه این پوسته شامل 3 مرحله یا فاز می‌باشد:

در مرحله اول (پوست “جوان”): سطح دارای رنگ سفید روشن است در حالی که شبکه جداسازی را با یک لایه متراکم فزاینده می‌پوشاند ( بخش D شکل 1).

در مرحله دوم (پوست “متوسط”): پوست ضخیم تر و متراکم تر می شود و لکه های قهوه ای روی سطح ظاهر می شود که با سطحی زبر پوشیده شده است.

مرحله سوم (پوست “بالغ”): با پوشش کامل سطح با پوستهِ قهوه‌ای مشخص می‌شود. پس از آن، تشکیل پوست کامل می‌شود و روند رشد متوقف می‌شود. زمان رشد تقریباً 2 هفته است تا زمانی که یک ورقه بسته از پوست جوان تشکیل شود و 2 هفته‌دیگر تا زمانی که بتوان‌آن را به عنوان بالغ طبقه‌بندی کرد.

دو مقاله‌ ی مهم تلفن های همراه در آینده از قارچ نیرو می گیرند که یعنی تحول در صنعت باتری موبایل با قارچ را که امروزِ جزعی از وسایل شخصی مهم هر فرد بحساب می‌آید را هم می‌توانید دنبال کنید.

بهینه سازی بیشتر شرایط سرعت فرآیند ساخت تراشه را در چی خواهد داشت

بهینه سازی بیشتر شرایط رشد می‌تواند این فرآیند را به طور قابل ملاحظه‌ای تسریع و تثبیت کند. علاوه‌بر این، تشکیل پریموردیا و متعاقباً تشکیل اجسام باردهِ باید کنترل شود تا پوستی صاف به دست آید. بنابراین، قرار گرفتن‌در معرض نور باید به حداقل برسد و سطح بالایی از CO ₂ در فضای اطراف پوسته‌حفظ شود.

پس از برداشت، پوست ها از میسلیوم زندهِ اشباع شدهِ با آب تشکیل شده‌اند، بنابراین ما برای نهایی سازی و استفاده‌از آن باید عمل فشردهِ سازی و خشک کردن‌را اعمال کنیم.

بدین ترتیب بر اثر گرما، رطوبت پوست ها به میزان 8% کاهش می‌یابد، و ما کوچک شدن جزئی (<10٪) و سفت شدن‌قابل توجه پوسته‌را مشاهده‌می‌کنیم. (قسمت C شکل 2)

در صورت رشد نامنظم، مواد با سطوح نرم و مبهم بدست می‌آید. ناهماهنگی در فرآیند پِرِس و خُشک کردن نیز منجر به تغییر در ضخامت پوست برداشت شدهِ می‌شود.

روش رشد و ساخت پوسته‌های قارچی ما به آسانی مقیاس پذیر است و می‌تواند از اندازه‌های کوچک تا چندین متر مربع را تولید کند که بیشتر به بستر در حال رشد بستگی دارد.

اندازه گیری گراماژ برای ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

بنابراین، اندازه گیری گراماژ (چگالی وزن نسبت به سطح کاغذ یا پارچه) نمونه برای مشخص کردن مناطق بزرگتر از پوست میسلیوم ما مناسب تر است.

علاوه‌بر این، بستر ما قادر به تامین مواد مغذی برای رشد بیشتر پوسته‌است و امکان برداشت چندین پوسته میسلیوم را از یک منبع فراهم می‌کند. حداکثر تعداد برداشت از یک محیط کشت طی یک دوره 6 هفته‌ای با عملکرد و کیفیت کافی 5 مرتبه می‌باشد.

برای دستیابی به چنین تعداد چرخه رشد بالایی، با حفظ سطح بالای کیفیت، باید محیط کشت و پوسته‌ها را تمیز و دور از آلودگی نگاه‌داریم و از رشد شبکه قارچ‌های دیگر با ارگانیسم‌های رقیب جلوگیری کنیم. زیرا آلودگی ممکن است منجر به تشکیل پوسته‌نامنظم شود.

رشد قارچ را می‌توان پس از برداشت پوسته‌ها با خشک کردنِ و حرارت دادن میسیلوم باقیمانده روی کامپوزیت زیست تخریب پذیر چوب راش متوقف کرد. حالا پوستهِ بجا ماندهِ دارای چگالی کم و مقاومت فشاری و کششی نسبتاً بالایی می‌باشد که به دلیل زمان رشد طولانی آن می‌باشد.

همچنین تحمل دمای بالا (ظرفیت گرمایی) و پایدار نیز یکی دیگر از ویژگی های این پوسته‌ها می‌باشد. زیرا برای ساخت پوسته‌های قارچی با هدایت الکتریکی و قابلیت پردازش الکترونیکی استاندارد، ظرفیت گرمایی بالا ضروری است زیرا امکان لحیم کاری را بر روی آنها فراهم می‌کند.

تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA) ( قسمت E شکل 1) هر سه نوع پوسته‌در اتمسفر اکسیژن خالص، تحمل این پوسته‌ها را تا بیش از 250 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. همچنین دمای بحرانی با افزایش سن پوست کمی افزایش می‌یابد.

 

مدارهای الکترونیکی روی پوست میسلیوم برای ساخت تراشه

پایداری حرارتی عالی یا ظرفیت گرمایی بالا و خاصیت عایق بودن الکتریکی، پوستهِ میسلیوم را به یک بستر زیست تخریب پذیر بسیار مناسب برای بردهای مدار الکترونیکی( تراشه الکترونیکی ) تبدیل می‌کند. ما در اینجا چندین روش را برای رسیدن به این هدف نشان می‌دهیم که پایه و اساس استفاده‌بیشتر این پوسته میسلیومی در مدارهای الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) و حسگرهای الکترونیکی را تشکیل می‌دهد. ( قسمت A شکل 2 )

برای رسیدن به این هدف ما لایه‌های فلزی منسجم در بالای پوسته‌‌های برداشت شدهِ با زبری سطح Rrms 1.8 ± 7.5 میکرومتر ایجاد شدهِ توسط PVD (قسمت A شکل 3)، که امکان پردازش و هدایت بیشتر جریان را در مسیرهای مدار را می‌دهد، را ایجاد می کنیم. ما با رسوب 400 نانومتر مس به عنوان هادی و رسانا،  3 نانومتر کروم برای چسبندگی بهتر، برد مداری پایدار بدست می‌آوریم ( قسمت B شکل 2 ).

سپس پوستهِ میسلیوم از قبل متالیز شدهِ (مس) را برای تقویت رسانایی مدار، با قرار دادن یک لایه طلای اضافی با ضخامت 50 نانومتر بر روی لایه مس اولیه بهبود می‌دهیم.

برای این منظور از روش آبکاری و محلول الکترولیت استفاده‌می‌نماییم. به این صورت که میسلیوم متالیزه به همراه یک آند فولادی ضد زنگ که هر دو به منبع تغذیه متصل هستند را در محلول آبکاری غوطه ور می شوند. سپس فرآیند آبکاری توسط جریان اعمال شده کنترل می شود.

ساخت بردهای مدار الکترونیکی مقیاس پذیر

از این رو پوست میسلیوم فلزکاری شدهِ ما ساخت بردهای مدار الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) مقیاس پذیر را به راحتی امکان پذیر می‌کند. روکش طلای اضافی به ویژه در لنت‌های اتصال و نقاط لحیم کاری مفید است. جایی که در صورت خوردگی مس عملکرد کاهش می‌یابد( قسمت C شکل 2 و شکل).

هدایت الکتریکی برد با افزایش سن پوستهِ کاهش می‌یابد، زیرا ساختار سطح در روند رشد تغییر می‌کند (D شکل 2 ). ما به رسانایی بالای 9.75 ± 1.44 × 104 ^Scm – ¹ در سمت ظخیم تر پوست جوان، دست می‌یابیم که با هادی‌های روی کاغذ چاپ معمولی قابل مقایسه است.

قارچ و تولید مواد نیمه‌رسانا یکی دیگر از این پژوهش ها می باشد که می توانید آن را مطالعه کنید.

به طور کلی، خواص الکتریکی میسلیوم جوان شبیه به بسترهای مبتنی بر کاغذ می‌باشد. آنها قدرت شکست 3.7 ± 13.5 kV mm ^-1 ، گذردهی نسبی εr ₌ 0.9 ± 3، درصد اتلاف 0.01 ± 0.06 δ = در 1 مگاهرتز، و رسانایی 0.27 ± 0.1 μS متر را نشان می‌دهند.^-1 در 10 مگاهرتز (برای جزئیات به شکل 4 مراجعه کنید).

با افزایش رشد و بلوغ پوسته، تشکیل جزایری از پوسته‌های ناهموار، یکدست بودن سطح را مختل می‌کند. از این رو رسانایی لایه‌های فلزی را مختل می‌کند.

در نتیجه، سمت B مقادیر رسانایی بالاتری را در تمام سنین نشان می‌دهد، زیرا در سمتی که رو به محیط رشد حجیم است، در مقابل سمت A، که در تماس با هوای اطراف است، رشد کمتر اتفاق می افتد.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ).

چگالی جریان

برای پوست میسلیوم بالغ با پوستهِ کاملاً توسعه یافته، هیچ فیلم فلزی پیوسته‌ای نمی‌تواند تشکیل شود. با این بینش، ما تمام تظاهرات بعدی را روی بخش عمده میسلیوم جوان متمرکز می‌کنیم. آثار ساخته شدهِ با استفادهِ از این روش می‌توانند چگالی جریان بالایی را تا 333 Amm ^-2  حفظ کنند. البته قبل از اینکه الکترودها به دلیل گرمای بیش از حد خراب شوند.

علاوه بر رسانایی بالا، فقدان پوسته و ضخامت کلی کم باعث انعطاف پذیری بالایی در بردهای ساختهِ شدهِ از میسیلیوم می‌شود. خمش چرخه‌ای یک ردی از Cu-Au بین شعاع خمشی 22.5 و 5 میلیمتر برای بیش از 2000 بار چرخ خمشی تنها با افزایش اندک مقاومت 18.1% امکان‌پذیر است ( قسمت E شکل 2 ).

ما یک اثر سوختگی را در اولین چرخه مشاهده می‌کنیم که در آن مقاومت در 10 چرخه اول 6٪ افزایش می‌یابد. در تکرارهای بعدی چرخش، مقاومت فقط در یک چرخه به طور جزئی تغییر می‌کند که نشان‌ دهنده کمترین آسیب اتصالات است ( قسمت F شکل 2).

افزایش مقاومت برای ساخت تراشه الکترونیکی

بعد از حدود 2000 سیکل چرخش یا خم شدن، نوار فلزی در مناطق بزرگتر یا ضخیمتر شروع به ترک خوردن می کند. این امر منجر به افزایش مقاومت شدید می شود که مشابه رفتار مشاهده شده در رسوبات فلزی بر روی بسترهای پلیمری مدار می‌باشد.

ما نه تنها به چرخیدن و خم شدن نوارهای فلزی دست می‌یابیم، بلکه تا شدن پوسته میسلیوم متالیزه نیز چندین بار امکان پذیر است در حالی که کاملاً کاربردی باقی می‌ماند و خراب نمیشود ( قسمت G شکل 2).

مقاومت نرمال شدهِ R / R ₀ پس از اعمال 12 برابری ( قسمت H شکل 2 )، به 0.51 ± 4.07 افزایش می‌یابد. با گزارش‌های مربوط به کاغذهای چاپ براق با زبری سطح بسیار کمتر قابل مقایسه است. توانایی پوست میسلیوم فلزکاری شدهِ ما برای مقاومت در برابر چنین تغییر شکل‌های شدید با افزایش معقول مقاومت، امکان تحقق هندسه‌های رسانا پیچیدهِ را فراهم می‌کند.

نصب سطحی قطعات الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) بر روی قطعات غیرفعال را می‌توان بدون تلفات عمده عملکرد در اثر تغییر شکل بر روی دستگاه های MycelioTronic اعمال کرد. پوست میسلیوم ما را می‌توان با استفاده از قابلیت خیساندن‌با استفادهِ از روش هیدروستینگ، به طور دائم به اشکال مختلفی تبدیل کرد.

(خیساندن میسلیوم با 2-پروپانول، متعاقباً تغییر شکل آن به شکل دلخواه‌با استفادهِ از قالب و در نهایت خشک کردن پوستهِ در یک دستگاه MycelioTronic ، یک برد مدار تغییر شکل یافته‌و در عین حال کاملاً کاربردی ایجاد می‌کند).

برای نشان دادن ساخت برد مدار با شکل دلخواه، یک مدار کامل شامل یک دیود ساطع نور نصب شدهِ روی سطح (SMD-LED) را به یک ساختار مارپیچ تغییر شکل می‌دهیم. این در حالی که درخشندگی LED به طور قابل مشاهده‌کاهش نمی‌یابد (قسمت I شکل 2).

MycelioTronic و ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

اسم چنین دستگاه‌های ساخته‌شدهِ از پوستهِ میسیلیوم را MycelioTronic گذاشتیم. این را می‌توان با استفاده از نوعی لاک الکل زیست تخریب‌پذیر پوسته-اتانول برای عایق سازی الکتریکی مدار در ابزارها و  کاربردهای پوشیدنی (لباسهای ورزشی هوشمند) استفادهِ کرد.

 

شکل 2 . روش های عملکردی برای پوست میسلیوم.

شکل 2 ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

(َA) روش های احتمالی عامل دار کردن پوست میسلیوم.

(B) تشکیل لایه های دولایه Cu و Cu-Au روی پوست میسلیوم.

(C) تصویر SEM رنگی از یک لبه قطع شده با لیزر از یک لایه Cu-Au ساخته شده توسط PVD (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) روی پوست میسلیوم جوان (سمت A). نوار مقیاس، 20 میکرومتر.

(D) رسانایی یک لایه PVD-Cu-Au روی پوست میسلیوم جوان، متوسط ​​و بالغ، اضلاع A و B. n = 5. NC، غیر رسانا.

(E) مقاومت نرمال شده میسلیوم جوان پوشیده از Cu-Au در طول خمش حلقوی بیش از 2000 بار بین شعاع خمشی 5 و 25 میلی متر. تغییر مقاومت در 1 چرخه (خاکستری) با تعداد چرخه ها کاهش می یابد، در حالی که حداکثر (آبی) افزایش می یابد.

(F) مقاومت نرمال شده چرخه های انتخابی (E) به عنوان تابعی از شعاع خمشی.

(G) تصویر نوری ردهای Cu-Au بر روی پوست میسلیوم جوان پس از بازیابی چندین چین سخت در حال تحمیل. نوار مقیاس، 5 میلی متر.

(H) مقاومت نرمال شده آثار رسانا با تعداد چین های اعمال شده افزایش می یابد.

n = 5. (I) عکسی از نوار رسانای پوست میسلیوم جوان با LED نصب شده روی سطح که به شکل مارپیچ تغییر شکل داده است. نوار مقیاس، 5 میلی متر.

 

پوست میسلیوم برای باتری های انعطاف پذیر و زیست تخریب پذیر

پوست میسلیوم ما نمی‌تواند تنها به عنوان بستری برای مدارهای الکترونیکی ( تراشه الکترونیکی ) زیست پایدار (زیست تخریب پذیر) استفاده شود. زیرا با ساختار بسیار متخلخل خود می‌تواند مقادیر زیادی مایع را جذب کند. بنابراین یک کاندید امیدوارکننده برای ایجاد جداکننده‌های باتری پایدار است.

دستگاه‌های الکترونیکی به شدت به منابع انرژی خارجی یا یکپارچه تکیه می‌کنند و راه حل‌های واقعاً پایدار کمیاب هستند. ما در اینجا می‌خواهیم اهمیت توسعه شیمیایی باتری سبزتر را به تفصیل مورد بحث قرار دهیم. بنابراین، ما در اینجا بر روی نمایش مفاهیم پایدار برای اجزای غیرفعال و بلوک‌‌های سازندهِ یک باتری، جهانی و محدود به شیمی باتری، یعنی جداکننده و بسته‌ بندی تمرکز می‌کنیم.

با این رویکرد، حجم عمده یک باتری معمولی را با یک ماده پایدار زیست تخریب پذیر جایگزین می‌کنیم. با این حال، بسته به شیمی باتری، الزامات مختلفی باید توسط یک ماده‌برآوردهِ شود تا برای استفاده‌در باتری مناسب باشد.

باتری‌های لیتیوم یونی تجاری عمدتاً از جداکننده‌های پلیمری پلی اولفین استفادهِ می‌کنند. زیرا خواص مکانیکی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند. همچنین از نظر شیمیایی پایدار هستند و می‌توانند با اندازه‌های منافذ کوچک به اندازه کافی بصورت ایمن، تولید شوند.

با این حال، اینها فرآورده‌های نفتی تجدید ناپذیر هستند و به محیط زیست صدمه می‌زنند، و از طرفی هم گرا هستند. استفاده از بیومواد به عنوان جداکننده‌باتری هنوز بسیار محدود است. باید برای گذار به منابع انرژی قابل حمل بیشتر و پایدارتر بیشتر مورد آزمایش قرار بگیرد. همچنین پیشرفت هایی بکند تا بتواند بصورت انبوه و تجاری تولید شود.(ساخت تراشه‌های الکترونیکی و باتری ها از قارچ کاری بس جالب و هیجان انگیز است).

 

جایگزین سازگار با محیط زیست

جداکننده‌های پوست میسلیوم ممکن است به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط زیست در ساخت باتری ها عمل کنند. زیرا می توانند به طور طبیعی رشد کنند و منابع کمی را حتی در مقایسه با مواد مبتنی بر کاغذ مصرف کنند. ما در اینجا از توانایی پوست میسلیوم برای جذب مقادیر زیادی مایع در ترکیب با محلول الکترولیت بسیار رسانای یونی استفاده‌می‌کنیم.

غشایی انعطاف‌پذیر را به وجود می‌آوریم که می‌تواند به راحتی در باتری‌ها به عنوان ماده‌جداکننده‌ِ گنجاندهِ شود. ما عملکرد آنها را با استفاده‌از شیمی سلول روی کربن اولیه، با استفادهِ از یک محلول معمولی کلرید آمونیوم و کلرید روی به عنوان الکترولیت آزمایش می‌کنیم ( قسمت A شکل 3 ).

محلول حفره‌های ورقه‌های خشک میسلیوم پوست را با خیساندن‌به مدت 12 ساعت پر می‌کند. ما کیفیت انتقال یون از طریق مواد حجیم را با طیف‌سنجی امپدانس جداکننده‌های پر از مایع با استفادهِ از یک سلول اندازه‌گیری سفارشی ساختهِ شدهِ تعیین می‌کنیم.

پوست میسلیوم با محلول الکترولیت مقاومت ویژه به اندازهِ 19.8 ± 54.3 اهم سانتیمتر از خود نشان می‌دهد که آن را تبدیل به یک مادهِ جداکننده‌قابل دوام می‌کند( قسمت B شکل 3).

محلول‌های الکترولیت

با این حال، توانایی انتقال یون‌ها در مقایسه با محلول‌های الکترولیت مایع بدون مهار، بطور اجتناب‌ ناپذیری توسط هر ماده جداکننده‌کاهش می‌یابد.

رسانایی خود بسیار به محلول الکترولیت مورد استفادهِ بستگی دارد و از این رو با توجه به شیمی مورد استفادهِ جهانی نیست. برای سهولت مقایسه‌با سایر مواد، کیفیت جدا کنندهِ با عدد مک‌مولین نیز توصیف می‌شود.  عدد مک‌مولین نسبت بین هدایت الکترولیت مستقل و هدایت جداکنندهِ است.

با پوست میسلیوم متوسط، ما به اعداد مک‌مولین به 6.7 دست می‌یابیم که از این نظر با جداکننده‌های باتری لیتیوم یون تجاری قابل مقایسه هستند). در ساخت سلول های باتری، پوست میسلیوم نه تنها به عنوان یک جداکننده‌در رسانایی خوب عمل می‌کند، بلکه از همان ماده‌به شکل خشک هم می‌توانیم به عنوان کاور باتری استفاده‌کنیم.

اجزای یک سلول باتری استاندارد

بنابراین، ما در حال حاضر بسیاری از اجزای یک سلول باتری استاندارد که متشکل از روی-کربن می‌باشد را با یک جایگزین طبیعی پایدار، عوض می‌کنیم. درصد بالایی از باتری ساختهِ شدهِ سازگار با محیط زیست و زیست تخریب پذیر می‌باشد ( قسمت C شکل 3).

در باتری ساختهِ شدهِ مواد الکترود به صورت خمیر ساخته‌می‌شوند. آند خمیر روی است و کاتد دی اکسید منگنز و جدا کننده خمیر سیاه کربن است. لایه‌های بسته‌بندی بیرونی فویل‌ های پوسته‌میسلیوم هستند که در یک طرف فلزکاری شده‌‌اند تا جریان تولید شدهِ توسط باتری را جمع‌ آوری کند.

شما می توانید مقاله باتری خارق العاده تهیه شده از قارچ های موجود در طبیعت را نیز مطالعه کنید.

برای جذب جریان کاتدی چکار کنیم؟

برای جذب جریان کاتدی، می‌توان از دو لایه Cu-Au رسوب شدهِ با بخار و آبکاری شدهِ استفادهِ کرد. سپس باتری لایه‌به‌لایه مونتاژ می‌شود و با چسب شلاک که جایگزینی طبیعی و زیست سازگار برای چسب های مصنوعی است به هم متصل می‌شود.

محفظه‌های خمیر الکترود از پوست میسلیوم قارچ گانودرما که سخت و محکم می‌باشد، بریده‌شدهِ و بر روی لایه‌های بسته‌بندی بیرونی در طرف های فلزی که به عنوان جمع کنندهِ جریان عمل می‌کنند، چسباندهِ می‌شوند.

خمیرها داخل محفظه‌ها پر می‌شوند و یک قاب جداکنندهِ پوست میسلیوم پر از مایع در بین آنها محصور شده‌است(قسمت D شکل 3).

با استفاده از یک لایه‌دولایه Cu-Au روکش شدهِ با بخار به‌ عنوان کاتد (جذب کنندهِ جریان ظرفیت تخلیه 3.8 میلی‌آمپر ساعت در هر سانتی‌متر را هنگامی که با جریان بالای 2 میلی‌آمپر تخلیه‌می‌شود) ایجاد می‌کند. ما با استفادهِ از کلکتورهای جریان کاتد طلای آبکاری شدهِ در جریان تخلیه‌بالای 2 میلی آمپر، به ظرفیت تخلیه‌بالایی تا 3.1 میلی آمپر ساعت در سانتی متر دست یافتیم ( قسمت E شکل 3 ).

علاوه‌بر این با این روش مونتاژ سادهِ می‌باشد، در صورت نیاز به ولتاژ یا ظرفیت بالاتر، آرایش های چند سلولی به راحتی قابل ساخت هستند.

استفاده از میسلیوم قارچ گانودرما در تراشه و باطری های الکترونیک

شکل 3 ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

شکل 3 . مفهومی برای باتری های میسلیوم.
(A) نمای انفجار باتری روی کربن میسلیوم، با استفاده از جداکننده میسلیوم آغشته به محلول الکترولیت.

(B) مقاومت ویژه میسلیوم های جوان، متوسط ​​و بالغ پر از الکترولیت.

(C) تصویر نوری یک باتری نمونه. نوار مقیاس، 1 سانتی متر.

(D) منحنی پلاریزاسیون باتری مونتاژ شده با استفاده از جمع‌کننده جریان کاتد طلای رسوب‌شده با بخار.

(E) تخلیه باتری های میسلیوم با جریان دشارژ متغیر و کلکتورهای جریان کاتدی آبکاری شده (EP-Au) و رسوب بخار (PVD-Au).

 

مدار حسگر MycelioTronic بدون اتصال

باتری ساختهِ شدهِ از میسلیوم ما علاوه‌بر زیست پایدار بودن، امکان عملکرد مستقل وسایل الکترونیکی مختلف را فراهم می‌کند. به وسیله برهای مداری ساختهِ شدهِ از میسلیوم و همچنین باتری ها می‌توانیم اکنون مدارهای MycelioTronic مستقل را بسازیم.

به عنوان نمونه ما دو مدار مستقل و یکپارچه را برای انجام آزمایشات خود ساخته‌ایم که در ادامه‌به توضیح آن می‌پردازیم.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)

اولین نمونه ما یک برد حسگر میسلیوم بدون اتصال، با یک ماژول ارتباط دادهِ (بلوتوس) روی سطح که توسط یک باتری میسلیوم یکپارچه و با یک حسگر امپدانس تعبیه‌شدهِ تغذیه‌می‌شود را ساخته‌ایم (قسمت A شکل 4).

جمع آوری و انتقال داده‌های حسگر توسط یک ماژول تجاری بلوتوث کم مصرف (BLE) که به پدهای اتصال مربوطهِ در مدار لحیم شده‌است، انجام می‌شود. برای برآوردن‌نیازهای برق آن (ولتاژ کاری > 1.9 ولت)، از دو سلول به صورت سری استفادهِ می‌کنیم. باتری را مستقیماً روی دو الکترود یکپارچه مونتاژ می‌کنیم. بنابراین، بورد مدار به طور همزمان به عنوان لایه زیرین باتری نیز عمل می‌کند.

برای آزمایش درستی کارکرد مدار و سنسور تعبیه‌شدهِ روی آن چکار کنیم؟

برای آزمایش درستی کارکرد مدار و سنسور تعبیه‌شدهِ روی آن ابتدا رطوبت نسبی به تدریج با 10٪ رطوبت نسبی (rH) از 20 به 70٪ RH افزایش یافت که به سبب آن طیف امپدانس از 1 هرتز تا 10 مگاهرتز و ظرفیت متناظر حدود 29 درصد افزایش یافت.  مقاومت بیش از سه مرتبه‌بزرگی به مقاومت 1.17 مگا اهم در 70 درصد rH کاهش یافت ( قسمت C شکل 4 ).

با این مقاومت عمومی و ظرفیت خازنی در محدوده پیکوفاراد (pH)، سنسور برای استفادهِ با سیستم اندازه‌گیری ظرفیت داخلی ماژول BLE مناسب است.

بنابراین، حسگر به صورت دوره‌ای با یک خازن 2.2-nF به ولتاژ مرجع 1.2 ولت شارژ می‌شود که تنها جریان نشتی جزئی 0.5 μA در 70% rH را نشان می‌دهد. این در مقایسه با جریان شارژ کلی 138 میکروآمپر، ناچیز است. در ترکیب با باتری میسلیوم، ما رطوبت و حسگر مجاورت را با مدار خود نشان می‌دهیم.

باتری جریان عملیاتی بالایی حدود 2 میلی آمپر در حالت استاندارد و تقریباً 13.5 میلی آمپر در طول انتقال دادهِ به مدار ارائه می‌دهد. ( قسمت D شکل 4)

هنگامی که جسمی مانند انگشت به سنسور نزدیک می‌شود (قسمت E شکل 4)، شارژ آن تغییر می‌کند. زیرا جسم به عنوان یک خازن انگلی عمل می‌کند و در نتیجه تغییرات مشخصی در ظرفیت حسگر ایجاد می‌کند ( قسمت F شکل 4).

علاوه بر حسگر مجاورت، قابلیت‌های رطوبت سنجی حسگر را نیز نشان می‌دهیم ( قسمت G شکل 4 ). افزایش کوتاه مدت رطوبت باعث تغییر قابل تشخیص در ظرفیت می شود ( قسمت H شکل 4).

بنابراین، ما می‌توانیم قابلیت نزدیکی و رطوبت حسگر را کاملاً بدون اتصال و با یک منبع تغذیه زیست پایدار یکپارچه با طراحی  MycelioTronic خود انجام دهیم.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ).

آزمایش پتانسیل مدارهای یکپارچه بر روی پوسته میسلیوم توسط باتری های میسلیوم

در این آزمایش ما پتانسیل مدارهای یکپارچه بر روی پوستهِ میسلیوم که توسط باتری‌های میسلیوم تغذیه‌می‌شوند را نشان دادیم. از این مدارها به دلیل انعطاف می‌توان در دستگاه‌های پوشیدنی یا حتی لباس های ورزش هوشمند نیز بهرهِ گرفت. بنابراین اختراع MycelioTronic ما به عنوان پایه‌ای برای ابزارهای الکترونیک زیست پایدار با  تنوع بالا می‌باشد.

پس از پایان عمر مدار و هنگام دور ریختن‌آن، اجزای قابل استفاده‌مجدد روی سطح به راحتی با استفادهِ از ابزارهای ساده‌مانند تفنگ حرارتی یا لحیم کش از روی برد جدا می‌شوند. تنها بستر یا بورد زیست تخریب پذیر را به عنوان زباله‌باقی می‌گذارند (قسمت I شکل 4).

زباله‌ تراشه الکترونیکی تولید شدهِ به وسیله‌پوسته‌های میسیلیومی ما در عرض 11 روز 93.4 درصد از جرم خشک خود را از دست می‌دهد و تجزیه‌می‌شود (قسمت I و J شکل 4). پس از این مدت، بقایای نمونه‌از خاک قابل تشخیص نیستند.

 

شکل 4 . برد سنسور میسلیوم.

شکل 4 برد سنسور میسلیوم

(A) عکس یک برد حسگر شامل یک باتری میسلیوم دو سلولی، یک ماژول بلوتوث، و یک حسگر امپدانس با ساختار الکترود بین رقمی. نوار مقیاس، 1 سانتی متر.

(B) پاسخ امپدانس سنسور به شدت به رطوبت نسبی محیط بستگی دارد.

(C) ظرفیت و مقاومت ساختار حسگر بین رقمی به عنوان تابعی از فرکانس نصب شده‌است.

(D) بلوک دیاگرام برد حسگر تولید و انتقال داده‌ها به یک کامپیوتر خارجی در طول آزمایش‌های بدون اتصال.

(E) نزدیک شدن انگشت به حسگر منجر به تغییرات واضحی در ظرفیت حسگر می‌شود. نوار مقیاس، 2 سانتی متر.

(F) پاسخ ظرفیت حسگر به انگشتی که مکرراً نزدیک می‌شود در (E).

(G) آسپیراسیون روی برد سنسور باعث تغییرات رطوبتی به وضوح قابل تشخیص می‌شود. نوار مقیاس، 2 سانتی متر.

(H) پاسخ ظرفیت به تغییرات رطوبت در (G).

(I) تجزیه هوازی بسترهای PCB MycelioTronic در عرض 2 هفته در خاک کمپوست رخ می‌دهد. نوار مقیاس، 2 سانتی متر.

(J) درصد جرمی بستر PCB در حال تجزیه نشان دادهِ شدهِ در (I) طی 11 روز اندازه‌گیری شد.

خلاصه آزمایش ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

ما در اینجا یک ماده‌جدید را برای ساخت لوازم الکترونیکی زیست پایدار از جمله برد مدار و منابع برق برای دستگاه‌های الکترونیکی ایجاد کردیم. ما با روش‌هایی ارتقای مقیاس‌ پذیری پوست‌ های میسلیوم را فراهم کردیم. ساخت مدارهای الکترونیکی روی این بسترهای زیست تخریب‌پذیر را ممکن ساختیم.

در این روش ها ما PVD لایه‌های طلا و مس را همراه‌با انعطاف‌ پذیری خوب زیرلایه‌میسلیوم (تا شدن‌به طور مکرر 2000 بار و شعاع خمشی 5 میلیمتر)  و افزایش ناچیز مقاومت بدست آوردیم.

علاوه‌بر این، ساخت باتری‌های مبتنی بر میسلیوم را نشان دادیم که هم بسته‌‌بندی و هم جداکنندهِ سلول‌های کربن-روی را با پوسته‌های میسلیوم زیست پایدار خود جایگزین کردیم. در نتیجه آن باتری‌های ساختهِ شدهِ ظرفیت‌هایی تا 3.8 میلی‌آمپر ساعت در سانتیمتر مربع را خواهند‌داشت. ما از این باتری‌ها برای تغذیه یک برد مدار شامل حسگر بدون اتصال استفاده‌کردیم که قادر به اندازه‌گیری، ذخیره‌و انتقال داده‌های سنجش رطوبت و مجاورت میباشد.

همچنین تمام مواد مورد استفاده‌می‌توانند در طبیعت تجزیه‌شوند یا بازیافت شوند. با این پیشرفت‌ها، پوست‌های میسلیوم زیست تخریب‌پذیر ممکن است به عنوان یک ماده‌جایگزین زیست پایدار برای آینده‌الکترونیک سبز ایفای نقش کنند. ( ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ )

آزمایش ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ به چه صورت است

مواد: کلرید آمونیوم (NH ₄ Cl) و کلرید روی (ZnCl2) به عنوان محلول الکترولیت استفاده‌شد.
پودر روی، پودر زانتان (xanthan gum)، اکسید منگنز (MnO ₂) و کربن سیاه استیلن برای الکترودهای درون باتری استفادهِ شد.
برای ساخت چسب شلاک از تکه‌های شلاک، به عنوان پرکنندهِ رسانا استفادهِ شد. جوهر نقره‌به عنوان پوشش مواد رسانا استفادهِ شد.تمام مواد شیمیایی بدون خالص سازی مورد استفادهِ قرار گرفتند.

رشد و برداشت پوست میسلیوم

برای کشت قارچ گانودرما لوسیدوم یک کیلوگرم خردهِ چوب راش خشک را با حدود 50 گرم آرد ارگانیک غلات  و 25 گرم پودر سنگ گچ ریز (CaSO 4) مخلوط می‌کنیم.

این مخلوط به همراه 2 لیتر آب در زودپز به مدت حداقل 30 دقیقه برای استریل شدن جوشانده‌شد. بستر مرطوب در جعبه‌های پلی پروپیلن استریل شدهِ به ارتفاع 4 تا 8 سانتیمتر پر شد. پس از خنک شدن تا دمای اتاق با درب بسته، حدود 500 گرم اسپان قارچ (بذر قارچ تلقیح) شدهِ در کمپوست بر پایه چوب راش ( G. lucidum) به طور مساوی در تمام ظروف توزیع شدهِ و به صورت دستی در زیر بستر کشت، اضافه‌می‌شود.

به عنوان یک شبکه جداسازی، یک صفحه فلای پلی اتیلن قوی با سوراخ های مربعی به عرض 0.5 میلیمتر برش دادهِ شد تا بر روی سطح بستر در ظروف قرار گیرد.

پس از استریل شدن‌با آب جوش و ایزوپروپانول، صفحه‌ها روی بستر قرار می‌گیرند، درب آن محکم بسته‌می‌شود تا تبادل هوا و گازها به حداقل برسد و جعبه‌ها در یک فضای تاریک با دمای تقریبی 25 درجه سانتیگراد نگهداری می‌شوند.

پس از رشد مناسب قارچ های گانودرما، صفحه‌های جداسازی از بستر رویش را برمیداریم. سپس پوست میسلیوم با دقت از بدنه قارچ با استفاده‌از تیغه یا کاردک جدا میشود. پوست های مرطوب را بین دو حوله‌کاغذی قرار داده‌شد و به آرامی فشار دادهِ شد تا بیشتر محتوای آب از بین برود.

هنگامی که پوست میسلیوم در لمس با دست خشک بود، آن را بین دو صفحه چوبی مستقیم قرار دادهِ و با فشار آن ها را به حالت صاف شدهِ کاملاً خشک می‌کنیم.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)

 

اندازه گیری TGAبرای ساخت تراشه

یک بوته با ~ 5 میلیگرم پوست میسلیوم پر شد، در Mettler Toledo TGA قرار دادهِ شد و با O ₂ خالص غرق شد. دما به مدت 30 دقیقه روی 50 درجه سانتیگراد تنظیم شد و سپس با سرعت 0.166 K/s تا 400 درجه سانتیگراد افزایش یافت.

 

اندازه گیری SEM برای ساخت تراشه

اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با استفاده‌از Zeiss 1540 XB CrossBeam SEM (ولتاژ شتاب، 5 کیلو ولت) انجام شد. قبل از تصویر برداری، نمونه‌ها با ca. 10 نانومتر طلا از طریق تبخیر حرارتی (فشار، ~3 × 10-6 ^mbar ؛ نرخ رسوب، 0.1 تا 0.3 A s ^-1 ) برای افزایش رسانایی سطح و در نتیجه‌کیفیت تصویر.

 

تست کشش تک محوری برای ساخت تراشه

نمونه‌های پوست میسلیوم با یک ابزار پانچ استخوانی شکل بر اساس ISO 527-2:2012 (E) نوع 5A پانچ شدند و با یک Zwick Roell Z005 (لودسل 100 N) آزمایش شدند.

 

متالیزاسیون سطحی (PVD)

نمونه‌های پوست میسلیوم با یک سیستم PVD (Oerlikon Leybold Univex 350)، با استفاده‌از فشار خلاء کمتر از 5 × 10-6 ^mbar متالیز(روکش فلز) شدند. نرخ رسوب 0.02 نانومتر بر ثانیه ^-1 برای کروم، 0.3 نانومتر بر ثانیه ^-1 برای مس و 0.15 نانومتر بر ثانیه ^-1 برای طلا بود.

 

آبکاری برای ساخت تراشه

نمونه‌های پوست میسلیوم پیش فلز شدهِ در محلول الکترولیت طلا (Conrad Electronic International GmbH & Co. KG) غوطه‌ور شدند و به منبع تغذیه (Rohde & Schwarz München Typ NGM 70/05) با جریان ثابت 100 میلی آمپر متصل شدند. بدین وسیله‌از یک حلقه فولادی به عنوان الکترود شمارنده‌استفادهِ شد.

 

رسانایی پوست های میسلیوم متالیز

رسانایی یک مسیر متالیز شدهِ روی پوست میسلیوم قارچ خوراکی با اندازه‌گیری مقاومت با یک مولتی متر (Keithley 2110) در پیکربندی چهار سیم تعیین شد.

تمام نمونه‌های میسلیوم با سه لایه کروم-مس-طلا (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) متالیزهِ می‌شوند و مسیر های مورد نظر با حذف نگاتیو توسط لیزر با لیزر فیبر ایجاد شد. کاتر (Trotec Speedy300 flexx). رسانایی σ به صورت محاسبهِ شد

که در آن R مقاومت اندازه‌گیری شده، A سطح مقطع (1 میلیمتر در 450 نانومتر) و l طول (10 میلی متر) رد فلز Cu-Au است.

 

خم شدن چرخه ای

یک نمونه میسلیوم ببا مسیرهای مداری حکاکی شدهِ روی یک فویل پلی آمیدی به ضخامت 75 میکرومتر (Kapton HN) قرار دادهِ شد. فویل بین دو صفحه‌پلی (متیل متاکریلات) موازی بستهِ شد و مقاومت با یک مولتی متر (Keithley 2110) در پیکربندی چهار سیم تعیین شد. فاصله‌بین دو صفحه‌به صورت دوره‌ای تنظیم می‌شد و شعاع خمشی به‌ عنوان فاصله نصف شدهِ بین دو صفحه تقریبی می‌شود.

آزمایش تا شوندگی

یک نمونه میسلیوم متالیزهِ شدهِ (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) حکاکی شد(مسیرهای مداری روی آن روکش شده) را به پنج تکه تقسیم کردهِ (برای یکسان بودن‌نمونهِ در 5 بار آزمایش صورت گرفته).

از لبه‌یک صفحهِ پلاستیکی نازک برای تثبیت نمونهِ در اطراف لبه‌تاشو مورد نظر به دنبال صفحه‌دوم برای تا کردن میسلیوم روی لبه استفادهِ شد. پس از برداشتن‌صفحه اول، میسلیوم حتی بیشتر فشردهِ شد تا لبهِ سختی حاصل شود.

این فرآیند 12 بار با جهت های تاشو متناوب تکرار شد و برای هر چین‌جدید، چین‌های قبلی نیز فشردهِ می‌شوند. برای هر دو چین جدید، مقاومت با یک مولتی متر (Keightley 2110) در پیکربندی چهار سیم تعیین شد.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)

 

تغییر شکل به ساختار مارپیچ

یک نوار میسلیوم متالیزهِ شدهِ (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) با یک LED نصب شدهِ با ایزوپروپانول آغشتهِ شده‌بود و به صورت مارپیچ دور یک لوله‌شیشه‌ای به ضخامت 5 میلیمتر پیچیدهِ شد.

یک شکاف نازک در لایه‌فلزی جریان جریان را از طریق LED تضمین می‌کند و یک خمیر لحیم کاری با دمای پایین (IND:282، Indium Corporation) برای نصب LED استفاده‌شد.

میسلیوم پیچیدهِ شدهِ روی انتهای نوار با نوار ثابت شد. به محض اینکه ایزوپروپانول کاملاً تبخیر شد، میسلیوم را می‌توان با کشیدن‌آن روی لولهِ شیشه‌ای جدا کرد. میسلیوم در ساختار مارپیچ دادهِ شدهِ بدون هیچ فرآیند اضافی باقی ماند.

 

طیف سنجی امپدانس

نمونه‌های پوست میسلیوم قبل از آزمایش به مدت 24 ساعت در محلول الکترولیت خیساندهِ شدند. یک سلول اندازه‌گیری سفارشی برای تعیین امپدانس بین 1 تا 10 مگاهرتز با استفادهِ از یک تحلیلگر امپدانس (Novocontrol Alpha A Analyzer) با 1 میلی ولت ولتاژ AC استفادهِ شد.

مقاومت توده‌ای از فلات فرکانس بالا قسمت واقعی امپدانس تعیین شد. رسانایی و مقاومت ویژهِ با استفادهِ از مقاومت حجیم و هندسه‌غشا محاسبه‌شد.

 

ساخت باتری

خمیر آند با مخلوط کردن 63.5 درصد وزنی پودر روی، 35 درصد وزنی محلول الکترولیت و 1.5 درصد وزنی پودر زانتان تهیه‌شد. خمیر کاتد با مخلوط کردن 12 درصد وزنی اکسید منگنز (IV) و 12 درصد وزنی استیلن کربن سیاه در محلول الکترولیت 76 درصد وزنی تهیه‌شد.

برای یک سلول واحد، جمع کنندهِ جریان آند از یک پوست میسلیوم با یک لایه‌دولایه کروم-مس تشکیل شدهِ است که توسط تبخیر بخار (3 نانومتر کروم و 900 نانومتر مس) اعمال می‌شود. برای کلکتور جریان کاتدی، طلا یا با آبکاری با محلول الکترولیت طلا و زمان رسوب 1 دقیقه بر روی آن رسوب می‌کرد یا توسط PVD بعدی یک لایه طلای 50 نانومتری.

میسلیوم به طور کامل شستشو دادهِ شد و پس از آبکاری به مدت 24 ساعت خشک شد. محفظه‌هایی برای خمیرهای آند و کاتد فعال (1 سانتی متر در 1 سانتی متر) و همچنین یک قاب برای جداکنندهِ (1.5 سانتی متر در 1.5 سانتی متر) به صورت سادهِ بریدهِ شد. ورق‌های پوست میسلیوم درمان نشدهِ جداکنندهِ حداقل 24 ساعت قبل از مونتاژ در محلول الکترولیت خیس شد.

یک گرم پوسته در 4 میلی لیتر اتانول حل شد و به مدت 20 ساعت هم زدهِ شد تا یک چسب تشکیل شود. باتری لایه‌به‌لایه‌با استفادهِ از چسب شلاک برای چسبندگی لایه‌های پوست میسلیوم به یکدیگر ساخته‌شد. برای پیکربندی دو سلولی که برای تغذیه برد مدار استفادهِ می‌شود، جمع‌کنندهِ جریان آند نیز از پوست میسلیوم مسی با روکش طلا ساختهِ شدهِ بود.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)

مشخصات باتری

مشخصات باتری ها با استفادهِ از یک واحد اندازه‌گیری منبع Keithley 2611A متصل به جمع کننده‌های جریان باتری ثبت شد.

وسایلی چون تلفن همراه و بسیاری از وسایل الکتریکی با باتری کار می کنند که شمار آنها روز به روز در حال افزایش است. بنابراین تولید باتری با استفاده از مواد طبیعی همانند قارچ می تواند هزینه های اقتصادی و همین طور زیست محیطی را کاهش دهد. بنابراین پیشنهاد میکنیم مقاله ساخت باتری لیتیومی با قارچ را هم مطالعه کنید.

ساخت PCB انعطاف پذیر

PCB منعطف بر اساس یک پوست میسلیوم متالیز شدهِ با سه‌لایه‌کروم-مس-طلا (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) بود. ردپاها و پدهای PCB با حذف نگاتیو توسط لیزر با برش لیزر فیبر (Trotec Speedy300 flexx) ایجاد شد.

برای جلوگیری از گرم شدن‌بیش از حد و تخریب پوست میسلیوم بیش از 250 درجه سانتیگراد، همه SMD ها با یک خمیر لحیم کاری با دمای پایین روی پدها لحیم شدند (IND:282، Indium Corporation).

هسته سیستم الکترونیکی یک ماژول بلوتوث (CYBLE-222014، Cypress Semiconductor Corp.) بود. این ماژول به یک برنامه نویس/اشکال زدا (Kitprog، Cypress) متصل شد و با یک برنامه Bootloader شستشو شد.

امکان به روز رسانی ماژول Over-The-Air از طریق بلوتوث را فراهم کرد. برنامه‌ماژول در PSoc Creator 4.2 برنامه‌ریزی شد و با برنامه‌CySmart 1 به روز شد. 3 با استفادهِ از دانگل USB CY5677 CySmart BLE 4.2.

برای اطمینان از اتصال بهتر به PCB، قطعات کوتاهی از یک سیم مسی قبلاً روی پدهای ماژول لحیم شدهِ بود تا اندازهِ پدها افزایش یابد. یک سوئیچ اضافی (CVS-01B، Copal Electronics) برای قطع منبع تغذیه‌باتری قرار دادهِ شد.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)

اندازه گیری رطوبت

سنسور میسلیوم در یک محفظه‌آب و هوا (C-40/350، CTS Clima Temperatur Systeme GmbH) قرار گرفت و با یک آنالایزر امپدانس (Novocontrol Alpha A Analyzer) بین 1 هرتز و 10 مگاهرتز خوانده‌شد.

PEDOT: خیساندن PSS

پوست های میسلیوم جوان با محلول آبی PEDOT:PSS یا با غوطه‌ور کردنِ یا با قرار دادنِ یک قطرهِ PH1000 روی پوست خیس شدند. جوهر نقره‌برای تماس با میسلیوم آغشتهِ به PEDOT:PSS استفادهِ شد.

پوشش Shellac نوار LED

میسلیوم متالایزهِ شدهِ جوان (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) با سه LED نصب شدهِ روی سطح، با یک مخلوط 1:4 شلاک / اتانول با قلم مو پوشاندهِ شد.

لایه‌شلاک به دست آمدهِ یک پوشش عایق الکتریکی است که محافظت مکانیکی را نیز ارائه‌می‌دهد. نمونه‌دوم با یک براش هوا پوشاندهِ شد و ساختار سطحی حاصل توسط SEM بیشتر مورد تجزیه‌و تحلیل قرار گرفت.

اندازه گیری زبری سطح

پوست میسلیوم جوان از سه برداشت مختلف در یک پروفیلومتر (Dektak 3) قرار دادهِ شد و زبری سطح Rrms با محاسبه‌میانگین مربع ریشه در طول اسکن 2 میلی‌متر و میانگین‌گیری در تمام آثار اندازه‌گیری شدهِ ( n = 9) تعیین شد.

 

اندازه گیری شکست دی الکتریک

پوست های میسلیوم جوان بین دو مهرهِ برنجی متصل به منبع ولتاژ بالا (140-35000، FuG Elektonik GmbH) قرار گرفتند. ولتاژ به طور مداوم با 50 V s ^-1 افزایش می‌یابد تا زمانی که یک شکست / افت ولتاژ شدید رخ دهد.

اندازه گیری خواص الکتریکی

نمونه‌های میسلیوم متالیزهِ دو طرفه (3 نانومتر کروم و 500 نانومتر مس) در دو طرف حکاکی شدند تا یک خازن صفحه‌ای با مساحت 78.5 میلی‌متر مربع تشکیل شود. الکترودهای رسانا در جهات مخالف حک شدهِ و با یک آنالایزر امپدانس (Novocontrol Alpha A Analyzer) متصل شدند.

امپدانس خازن بین 10 تا 1 مگاهرتز با اعمال ولتاژ AC 1 ولت تعیین شد. گذردهی نسبی εr _، رسانایی σ، و مماس تلف δ از امپدانس مختلط، با در نظر گرفتن‌هندسه الکترودها محاسبهِ می‌شوند.

اندازه گیری گرمایش الکتریکی

یک نمونه‌میسلیوم متالیز شدهِ (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) حکاکی شد تا سه اثر موازی با عرض 2 میلی‌متر به دست آید. ردیابی ها به طور متوالی به منبع تغذیه‌آزمایشگاهی (GPD-3303D، GW Instek) با افزایش تدریجی تنظیمات جریان تا زمان خرابی متصل شدند.

به‌طور همزمان، یک دوربین مادون قرمز حرارتی (325sc، FLIR) اندازه‌گیری دما را بر روی نمونه‌های میسلیوم انجام می‌دهد.

اندازه گیری ترکیب زیستی

نمونه‌های میسلیوم با تلقیح کمپوست هوازی که به درستی کار می‌کرد مخلوط شدند و در ظروف کمپوست ساکن قرار داده‌شدند، با اکسیژن پاکسازی شدند. کمپوست قارچ یک بستر مناسب برای پرورش و رشد قارچ است. در دمای ثابت 58 درجه‌سانتی‌گراد نگهداری شدند. برای این منظور ابتدا تلقیح به گونه‌ای دسته‌بندی شد که عاری از اجسام خنثی بزرگ باشد و یک مخلوط دانه‌ریز همگن به دست آید.

سپس تلقیح با آب اشباع شد و به همراهِ نمونه‌های میسلیوم در ظروف کمپوست پر شد. کشتی ها مهر و موم شدهِ و با هوای اشباع از آب پاکسازی شدند.

نمونه‌ها در فواصل 3 تا 4 روز از مایه‌تلقیح فیلتر شده، در دمای 60 درجه سانتی گراد خشک شدهِ و برای تولید تودهِ خشک نمونه‌ها توزین شدند. عکس‌ها گرفتهِ شد و از دست دادن‌جرم با توجه‌به جرم خشک اولیه‌نمونهِ محاسبهِ شد.

حالا که به میزان تاثیر میسلیوم قارچ پی بردید می‌توانید مقاله عوامل تأثیرگذار در رشد میسیلیوم قارچ را نیز مطالعه کنید.

تحلیل آماری ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ

اندازه‌نمونه ردیابی هدایت و اندازه‌گیری مقاومت 5 = n در هر نوع بود، نقاط دادهِ مقادیر میانگین و نوارهای خطا نشان دهندهِ SD هستند. اندازه‌نمونه‌اندازه‌گیری‌های هدایت جداکنندهِ 4= n برای هر نوع بود، نقاط دادهِ مقادیر میانگین و نوارهای خطا نشان‌دهندهِ SD هستند.

مقادیر Rp و Cp در شکل 4C بر اساس مدل مدار مقاومت-خازن موازی برازش دادهِ می‌شوند. این حداقل مربعات خطای طیف امپدانس را برای هر تنظیم رطوبت با استفادهِ از الگوریتم لونبرگ-مارکوارت به حداقل می‌رساند (شکل S7 _) . تمام داده‌های اندازه‌گیری بیشتر همانطور که ثبت شدهِ است رسم می‌شوند.

مولف:

ترجمه از تیم هاگ
کپی فقط با ذکر منبع مجاز می باشد.
منبع:

اخبار علمی حوزه قارچ را در هاگ بخوانید.