ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ
توسعه ابزارک های پوشیدنی از جنس پوسته میسلیوم قارچ
ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ، وسایل الکترونیکی در زمینه های مختلف با کاربردهای مختلف از صنعت روباتیک گرفته تا کاربردهای پزشکی و کالاهای الکترونیکی مصرفی (نظیر موبایل و کامپیوتر و…) در زندگی امروز ما حاضر هستند و استفاده از آنها به طور فزاینده ای رو به افزایش می باشد. تعداد زیاد دستگاه های الکترونیکی که هر روز تولید می شوند و همچنین کاهش طول عمر این دستگاه ها ناگزیر منجر به تولید مقادیر زیادی زباله الکترونیکی می شود. چرخه بازیافت این دستگاه ها به تنهایی نمی تواند بحران رو به رشد زباله الکترونیکی در جهان را حل کند. بنابراین، تحقیقات روی مواد الکترونیکی، باید تمرکز خود را از بالا بردن راندمان بازیافت به رویکردهای دیگر نظیر مواد زیست تخریب پذیر که مقرون به صرفه باشد تغییر دهد.
ابزارک های الکترونیک یا دستگاه های پوشیدنی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در تعامل نزدیک با کاربر خود عمل کنند و 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 دستگاه های هوشمند با مواد عالی و زیست تخریب پذیر هنوز یک چالش بزرگ است.
بیومواد کربنی از جمله نانولوله‌های کربنی و گرافن به دلیل ویژگی‌های الکترونیکی و مکانیکی عالی خود امیدوارکننده هستند و ممکن است به ساخت کلاس جدیدی از مدارهای الکترونیکی منجر شوند، با این حال اکثر دستگاه‌های الکترونیکی ساخته شده هنوز از مواد غیرطبیعی استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، حسگرهای جدید که از پنبه کربنی شده ساخته شده اند نه تنها عملکرد حسی خوب نشان میدهند، بلکه الاستومر مبتنی بر سیلیکون، پلی‌دی‌متیل سیلوکسان را نیز در کامپوزیت خود دارند. با این حال، برای تحقق بخشیدن به قطعات الکترونیک واقعاً پایدار و زیست تخریب پذیر، هر جزء از یک دستگاه باید با جایگزین های بی خطر برای محیط زیست جایگزین شود. مدارهای مجتمع (IC ها) اکثریت جرم کل بردهای مدار چاپی (PCB) را تشکیل می دهند، به دلیل چگالی بالای فلزات مورد استفاده، ساخت نسخه های زیست تخریب پذیر آن ها دشوار می باشد. برای مثال PCB های معمولی استفاده شده در تلفن های همراه از 63 درصد وزن فلزات، 24 درصد وزن سرامیک و 13 درصد وزن پلیمرها تشکیل شده اند. ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ .
در تحقیقات جدید آی‌سی‌های زیست تخریب پذیر مبتنی بر مواد گیاهی ساخته شده است که جریان الکترونیکی کاملاً یکنواخت را از خود گذر میدهند؛ این نتایج اگرچه امیدوار کننده هستند، اما در حال حاضر عملکرد این آی سی ها محدود بوده و دوام کمی دارند. پس هنوز به تحقیقات و آزمایشات بیشتری نیاز هست و راه درازی تا جایگزینی این مواد با مواد نفتی باقی مانده است.
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. با ترکیب IC های معمولی (در نهایت قابل استفاده مجدد) با یک بستر زیست تخریب پذیر به جای پلیمرها و پلاستیک های بازیافت سخت، زباله های الکترونیکی را می توان 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 پیچیده (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 می شود.
این تحقیقات توسط یک تیم از محققان اتریشی به سرپرستی دکتر مارتین کالتن برونر صورت گرفته است که نتایج آن به شرح زیر می باشد:
ما در اینجا یک ماده بستر الکترونیکی جدید را به عنوان جایگزین پیشنهاد می کنیم، یعنی پوسته نازک تشکیل شده 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 می باشد و نسبت به سایر بیوموادهای رشد یافته، برای محیط‌زیست کم خطر تر می باشد. این بردهای میسیلیومی کاملاً زیست تخریب پذیر هستند، بنابراین جایگزینی مناسب برای اجزای الکترونیکی مبتنی بر فسیل و فراورده های نفتی میباشد. در این روش مواد قارچی با اجزای غیرقابل تجزیه معمولی مدار ترکیب شده 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 دهنده پیشرفتی بزرگ در این زمینه می باشد. 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 می کنند. بعد از این فرایند پوسته میسلیوم ما پایداری و تحمل حرارتی بالایی را از خود نشان میدهد و اجازه میدهد تا قطعات الکترونیکی لحیم کاری شود. با این روش ساخت بردها و حسگرهای الکترونیکی آسان‌تر میشود، زیرا سازگاری شکل آن محدود به هندسه مسطح نیست و ما را به معماری پایدارتر دستگاه های الکترونیکی ساخته شده از بیومواد نزدیک می کند.
علاوه بر این، نوع جدیدی از باتری‌های میسلیوم را می توان ساخت که از پوسته‌های قارچی هم به عنوان جداکننده سلول های باتری و هم به عنوان پوشش باطری استفاده 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 داده است.
شکل 1
( الف ) ساختار قارچ G. lucidum . ریشه‌های میسلیوم در محیط انتخاب شده 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. ( ب ) مفهوم استفاده از پوست میسلیوم به عنوان بستر برای وسایل الکترونیکی. ( ج ) رشد پوست میسلیوم روی شبکه جداکننده پلی اتیلن و بستر زیرین. ( د ) 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 پوسته های میسلیوم خود را با پوشاندن تلقیح های مرطوب مبتنی بر چوب راش با یک شبکه جداسازی پلی اتیلن (PE) و نگهداری آن ها در دمای 25 درجه سانتیگراد می سازیم. محیط مرطوب و غنی از CO 2 باعث رشد قارچ گانودرما G. lucidum و تشکیل پوست های میسلیوم در سطح می شود. ( شکل 2 قسمت C )
رشد و توسعه این پوسته شامل 3 مرحله یا فاز می باشد:
- در مرحله اول (پوست “جوان”)، سطح دارای رنگ سفید روشن است در حالی که شبکه جداسازی را با یک لایه متراکم فزاینده می پوشاند ( 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 پوسته قهوه ای مشخص می شود. پس از آن، تشکیل پوست کامل می شود و روند رشد متوقف می شود. زمان رشد تقریباً 2 هفته است تا زمانی که یک ورقه بسته از پوست جوان تشکیل شود و 2 هفته دیگر تا زمانی که بتوان آن را به عنوان بالغ طبقه بندی کرد.
بهینه سازی بیشتر شرایط رشد می تواند این فرآیند را به طور قابل ملاحظه ای تسریع و تثبیت کند. علاوه بر این، تشکیل پریموردیا و متعاقباً تشکیل اجسام بارده باید کنترل شود تا پوستی صاف به دست آید. بنابراین، قرار گرفتن در معرض نور باید به حداقل برسد و سطح بالایی از CO 2 در فضای اطراف پوسته حفظ شود.
پس از برداشت، پوست ها از میسلیوم زنده اشباع شده با آب تشکیل شده اند، بنابراین ما برای نهایی سازی و قابل استفاده شدن باید عمل فشرده سازی و خشک کردن را اعمال کنیم. بدین ترتیب بر اثر گرما، رطوبت پوست ها تا رسیدن به میزان 8% کاهش می یابد، و ما کوچک شدن جزئی (<10٪) و سفت شدن قابل توجه پوسته را مشاهده می کنیم. (قسمت C شکل 2)
در صورت رشد نامنظم، مواد با سطوح نرم و مبهم بدست می آید و ناهمگنی در فرآیند پرس و خشک کردن نیز منجر به تغییر در ضخامت پوست برداشت شده می شود.
روش رشد و ساخت پوسته های قارچی ما به آسانی مقیاس پذیر است و می تواند از اندازه های کوچک تا چندین متر مربع را تولید کند که بیشتر به بستر در حال رشد بستگی دارد.
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. علاوه بر این، بستر ما قادر به تامین مواد مغذی برای رشد بیشتر پوسته است و امکان برداشت چندین پوسته میسلیوم را از یک منبع فراهم می کند. حداکثر تعداد برداشت از یک محیط کشت طی یک دوره 6 هفته ای با عملکرد و کیفیت کافی 5 مرتبه می باشد.
برای دستیابی به چنین تعداد چرخه رشد بالایی، با حفظ سطح بالای کیفیت، باید محیط کشت و پوسته ها را تمیز و دور از آلودگی نگاه داریم و از رشد شبکه قارچ های دیگر با ارگانیسم‌های رقیب جلوگیری کنیم، زیرا آلودگی ممکن است منجر به تشکیل پوسته نامنظم شود.
رشد قارچ را می توان پس از برداشت پوسته ها با خشک کردن و حرارت دادن میسیلوم باقیمانده روی کامپوزیت زیست تخریب پذیر چوب راش متوقف کرد. حالا پوسته بجا مانده دارای چگالی کم و مقاومت فشاری و کششی نسبتاً بالایی می باشد که به دلیل زمان رشد طولانی آن می باشد.
همچنین تحمل دمای بالا (ظرفیت گرمایی) و پایدار نیز یکی دیگر از ویژگی های این پوسته ها می باشد؛ زیرا برای ساخت پوسته های قارچی با هدایت الکتریکی و قابلیت پردازش الکترونیکی استاندارد، ظرفیت گرمایی بالا ضروری است زیرا امکان لحیم کاری را بر روی آنها فراهم می کند.
تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA) ( قسمت E شکل 1) هر سه نوع پوسته در اتمسفر اکسیژن خالص، تحمل این پوسته ها را تا بیش از 250 درجه سانتیگراد نشان می دهد. همچنین دمای بحرانی با افزایش سن پوست کمی افزایش می یابد.
مدارهای الکترونیکی روی پوست میسلیوم
پایداری حرارتی عالی یا ظرفیت گرمایی بالا و خاصیت عایق بودن الکتریکی، پوسته میسلیوم را به یک بستر زیست تخریب پذیر بسیار مناسب برای بردهای مدار الکترونیکی تبدیل می کند. ما در اینجا چندین روش را برای رسیدن به این هدف نشان می دهیم که پایه و اساس استفاده بیشتر این پوسته میسلیومی در مدارهای الکترونیکی و حسگرهای الکترونیکی را تشکیل می دهد. ( قسمت A شکل 2 )
برای رسیدن به این هدف ما لایه‌های فلزی منسجم در بالای پوسته های برداشت شده با زبری سطح Rrms 1.8 ± 7.5 میکرومتر ایجاد شده 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 می آوریم ( قسمت B شکل 2 ).
سپس پوسته میسلیوم از قبل متالیز شده (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 استفاده می نماییم؛ 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 و سپس فرآیند آبکاری توسط جریان اعمال شده کنترل می شود.
از این رو پوست میسلیوم فلزکاری شده ما ساخت بردهای مدار الکترونیکی مقیاس پذیر را به راحتی امکان پذیر می کند. روکش طلای اضافی به ویژه در لنت های اتصال و نقاط لحیم کاری مفید است، جایی که در صورت خوردگی مس عملکرد کاهش می یابد دهد( قسمت C شکل 2 و شکل)
هدایت الکتریکی برد با افزایش سن پوسته کاهش می یابد، زیرا ساختار سطح در روند رشد تغییر می کند (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. به طور کلی، خواص الکتریکی میسلیوم جوان شبیه به بسترهای مبتنی بر کاغذ می باشد. 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 می دهند.-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 و 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)
برای پوست میسلیوم بالغ با پوسته کاملاً توسعه یافته، هیچ فیلم فلزی پیوسته ای نمی تواند تشکیل شود. با این بینش، ما تمام تظاهرات بعدی را روی بخش عمده میسلیوم جوان متمرکز می کنیم. آثار ساخته شده با استفاده از این روش می توانند چگالی جریان بالایی را تا 333 Amm -2 حفظ کنند 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 برد های ساخته شده از میسیلیوممی شود. 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 می کنیم که در آن مقاومت در 10 چرخه اول 6٪ افزایش می یابد. 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).
بعد از حدود 2000 سیکل چرخش یا خم شدن، نوار فلزی در مناطق بزرگتر یا ضخیمتر شروع به ترک خوردن می کند، که منجر به افزایش مقاومت شدید می شود که مشابه رفتار مشاهده شده در رسوبات فلزی بر روی بسترهای پلیمری مدار می باشد. 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 شده R / R 0 پس از اعمال 12 برابری ( قسمت H شکل 2 )، به 0.51 ± 4.07 افزایش می‌یابد که با گزارش‌های مربوط به کاغذهای چاپ براق با زبری سطح بسیار کمتر قابل مقایسه است. توانایی پوست میسلیوم فلزکاری شده ما برای مقاومت در برابر چنین تغییر شکل‌های شدید با افزایش معقول مقاومت، امکان تحقق هندسه‌های رسانا پیچیده را فراهم می‌کند. نصب سطحی قطعات الکترونیکی بر روی قطعات غیرفعال را می توان بدون تلفات عمده عملکرد در اثر تغییر شکل بر روی دستگاه های MycelioTronic اعمال کرد. پوست میسلیوم ما را می توان با استفاده از قابلیت خیساندن با استفاده از روش هیدروستینگ، به طور دائم به اشکال مختلفی تبدیل کرد (خیساندن میسلیوم با 2-پروپانول، متعاقباً تغییر شکل آن به شکل دلخواه با استفاده از قالب و در نهایت خشک کردن پوسته در یک دستگاه MycelioTronic ، یک برد مدار تغییر شکل یافته و در عین حال کاملاً کاربردی ایجاد می کند).
برای نشان دادن ساخت برد مدار با شکل دلخواه، یک مدار کامل شامل یک دیود ساطع نور نصب شده روی سطح (SMD-LED) را به یک ساختار مارپیچ تغییر شکل می دهیم، در حالی که درخشندگی LED به طور قابل مشاهده کاهش نمی یابد (قسمت I شکل 2).
چنین دستگاه‌های ساخته شده از پوسته میسیلیوم که نام آنها را MycelioTronic قرار دادیم، 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) استفاده کرد.
شکل 2
( الف ) روش های احتمالی عامل دار کردن پوست میسلیوم. ( ب ) 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. ( اف) 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 نمی تواند تنها به عنوان بستری برای مدارهای الکترونیکی زیست پایدار (زیست تخریب پذیر) استفاده شود زیرا با ساختار بسیار متخلخل خود می‌تواند مقادیر زیادی مایع را جذب کند و بنابراین یک کاندید امیدوارکننده برای ایجاد جداکننده‌های باتری پایدار است. دستگاه های الکترونیکی به شدت به منابع انرژی خارجی یا یکپارچه تکیه می کنند و راه حل های واقعاً پایدار کمیاب هستند. ما در اینجا می خواهیم 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 بلوک های سازنده 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 می کنیم. با این حال، بسته به شیمی باتری، الزامات مختلفی باید توسط یک ماده برآورده شود تا برای استفاده در باتری مناسب باشد. باتری‌های لیتیوم یونی تجاری عمدتاً از جداکننده‌های پلیمری پلی اولفین استفاده می‌کنند، زیرا خواص مکانیکی بسیار خوبی از خود نشان میدهند و از نظر شیمیایی پایدار هستند و می‌توانند با اندازه‌های منافذ کوچک به اندازه کافی بصورت ایمن، تولید شوند. با این حال، اینها فرآورده های نفتی تجدید ناپذیر هستند و به محسط زیست صدمه می زنند، و از طرفی هم گران هستند. استفاده از بیومواد به عنوان جداکننده باتری هنوز بسیار محدود است و باید برای گذار به منابع انرژی قابل حمل بیشتر و پایدارتر بیشتر مورد آزمایش قرار بگیرد و پیشرفت هایی بکند تا بتواند بصورت انبوه و تجاری تولید شود.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)
جداکننده های 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 رسانایی یونی استفاده می‌کنیم و غشایی انعطاف‌پذیر را به وجود می‌آوریم که می‌تواند به راحتی در باتری‌ها به عنوان ماده جداکننده گنجانده شود. ما عملکرد آنها را با استفاده از شیمی سلول روی کربن اولیه، با استفاده از یک محلول معمولی کلرید آمونیوم و کلرید روی به عنوان الکترولیت آزمایش می کنیم ( قسمت A شکل 3 ).
محلول حفره های ورقه های خشک میسلیوم پوست را با خیساندن به مدت 12 ساعت پر می کند. ما کیفیت انتقال یون از طریق مواد حجیم را با طیف‌سنجی امپدانس جداکننده‌های پر از مایع با استفاده از یک سلول اندازه‌گیری سفارشی ساخته شده تعیین می‌کنیم. پوست میسلیوم با محلول الکترولیت مقاومت ویژه به اندازه 19.8 ± 54.3 اهم سانتیمتر ااز خود نشان می دهد که آن را تبدیل به یک ماده جداکننده قابل دوام می کند( قسمت B شکل 3).
با این حال، توانایی انتقال یون‌ها در مقایسه با محلول‌های الکترولیت مایع بدون مهار، بطور اجتناب ناپذیری توسط هر ماده جداکننده کاهش می‌یابد. رسانایی خود بسیار به محلول الکترولیت مورد استفاده بستگی دارد و از این رو با توجه به شیمی مورد استفاده جهانی نیست. برای سهولت مقایسه با سایر مواد، کیفیت جدا کننده با عدد مک‌مولین نیز توصیف میشود، که نسبت بین هدایت الکترولیت مستقل و هدایت جداکننده 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 جداکننده در رسانایی خوب عمل می کند، بلکه از همان ماده به شکل خشک هم می توانیم به عنوان کاور باتری استفاده کنیم؛ بنابراین، ما در حال حاضر بسیاری از اجزای یک سلول باتری استاندارد که متشکل از روی-کربن می باشد را با یک جایگزین طبیعی پایدار، عوض می کنیم و درصد بالایی از باتری ساخته شده سازگار با محیط زیست و زیست تخریب پذیر می باشد ( قسمت C شکل 3).
در باتری ساخته شده مواد الکترود به صورت خمیر ساخته می‌شوند، آند خمیر روی است و کاتد دی اکسید منگنز و جدا کننده خمیر سیاه کربن است. لایه‌های بسته‌بندی بیرونی فویل های پوسته میسلیوم هستند که در یک طرف فلزکاری شده اند تا جریان تولید شده توسط باتری را جمع آوری کند. برای جذب جریان کاتدی، می توان از دو لایه Cu-Au رسوب شده با بخار و آبکاری شده استفاده کرد. سپس باتری لایه به لایه مونتاژ می شود و با چسب شلاک که جایگزینی طبیعی و زیست سازگار برای چسب های مصنوعی است به هم متصل می شود. محفظه های خمیر الکترود از پوست میسلیوم قارچ گانودرما که سخت و محکم می باشد، بریده شده و بر روی لایه های بسته بندی بیرونی در طرف های فلزی که به عنوان جمع کننده جریان عمل می کنند، چسبانده می شوند. خمیرها داخل محفظه ها پر می شوند و یک قاب جداکننده و جداکننده پوست میسلیوم پر از مایع در بین آنها محصور شده است(قسمت D شکل 3).
با استفاده از یک لایه دولایه Cu-Au روکش شده با بخار به عنوان کاتد (جذب کننده جریان ظرفیت تخلیه 3.8 میلی‌آمپر ساعت در هر سانتیمتر را هنگامی که با جریان بالای 2 میلی‌آمپر تخلیه میشود) ایجاد می‌کند. ما با استفاده از کلکتورهای جریان کاتد طلای آبکاری شده در جریان تخلیه بالای 2 میلی آمپر، به ظرفیت تخلیه بالایی تا 3.1 میلی آمپر ساعت در سانتی متر دست یافتیم ( قسمت E شکل 3 ).
علاوه بر این با این روش مونتاژ که ساده می باشد، در صورت نیاز به ولتاژ یا ظرفیت بالاتر، آرایش های چند سلولی به راحتی قابل ساخت هستند.
( الف ) نمای انفجار باتری روی کربن میسلیوم، با استفاده از جداکننده میسلیوم آغشته به محلول الکترولیت. ( ب ) مقاومت ویژه میسلیوم های جوان، متوسط و بالغ پر از الکترولیت. ( ج ) 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 ساخته شده از میسلیوم ما علاوه بر زیست پایدار بودن، امکان عملکرد مستقل وسایل الکترونیکی مختلف را فراهم می کند. به وسیله برهای مداری ساخته شده از میسلیوم و همچنین باتری ها می توانیم اکنون مدارهای MycelioTronic مستقل را بسازیم. به عنوان نمونه ما دو مدار مستقل و یکپارچه را برای انجام آزمایشات خود ساخته ایم که در ادامه به توضیح آن می پردازیم.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)
اولین نمونه ما یک برد حسگر میسلیوم بدون اتصال، با یک ماژول ارتباط داده (بلوتوس) روی سطح که توسط یک باتری میسلیوم یکپارچه و با یک حسگر امپدانس تعبیه شده تغذیه می شود را ساخته ایم (قسمت A شکل 4).
جمع آوری و انتقال داده های حسگر توسط یک ماژول تجاری بلوتوث کم مصرف (BLE) که به پدهای اتصال مربوطه در مدار لحیم شده است، انجام می شود. برای برآوردن نیازهای برق آن (ولتاژ کاری > 1.9 ولت)، از دو سلول به صورت سری استفاده می کنیم و باتری را مستقیماً روی دو الکترود یکپارچه مونتاژ می کنیم. بنابراین، بورد مدار به طور همزمان به عنوان لایه زیرین باتری نیز عمل می کند؛
برای آزمایش درستی کارکرد مدار و سنسور تعبیه شده 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 و مقاومت بیش از سه مرتبه بزرگی 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 استفاده 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 که 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 داده به مدار ارائه می دهد. ( قسمت D شکل 4)
هنگامی که جسمی مانند انگشت به سنسور نزدیک می شود (قسمت E شکل 4)، شارژ آن تغییر می کند زیرا جسم به عنوان یک خازن انگلی عمل می کند و در نتیجه تغییرات مشخصی در ظرفیت حسگر ایجاد می کند ( 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)
در این آزمایش ما پتانسیل مدارهای یکپارچه بر روی پوسته میسلیوم که توسط باتری های میسلیوم تغذیه می شوند را نشان دادیم از این مدارها به دلیل انعطاف می توان در دستگاه های پوشیدنی یا حتی لباس های ورزش هوشمند نیز بهره گرفت. بنابراین اختراع MycelioTronic ما به عنوان پایه ای برای ابزارهای الکترونیک زیست پایدار با تنوع بالا عمی باشد.
پس از پایان عمر مدار و هنگام دور ریختن آن، اجزای قابل استفاده مجدد روی سطح به راحتی با استفاده از ابزارهای ساده مانند تفنگ حرارتی یا لحیم کش از روی برد جدا می شوند و تنها بستر یا بورد زیست تخریب پذیر را به عنوان زباله باقی می گذارند (قسمت I شکل 4).
زباله الکترونیکی تولید شده به وسیله پوسته های میسیلیومی ما در عرض 11 روز 93.4 درصد از جرم خشک خود را از دست می دهد و تجزیه می شود (قسمت I و J شکل 4) و پس از این مدت، بقایای نمونه از خاک قابل تشخیص نیستند.
( الف ) 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. ( ب ) پاسخ امپدانس سنسور به شدت به رطوبت نسبی محیط بستگی دارد. ( ج ) ظرفیت و مقاومت ساختار حسگر بین رقمی به عنوان تابعی از فرکانس نصب شده است. ( د ) بلوک دیاگرام برد حسگر تولید و انتقال داده ها به یک کامپیوتر خارجی در طول آزمایش های بدون اتصال. ( E ) نزدیک شدن انگشت به حسگر منجر به تغییرات واضحی در ظرفیت حسگر می شود. نوار مقیاس، 2 سانتی متر. ( F ) پاسخ ظرفیت حسگر به انگشتی که مکرراً نزدیک می شود در (E). (ز ) آسپیراسیون روی برد سنسور باعث تغییرات رطوبتی به وضوح قابل تشخیص می شود. 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 می دهد. نوار مقیاس، 2 سانتی متر. ( J ) درصد جرمی بستر PCB در حال تجزیه نشان داده شده در (I) طی 11 روز اندازه گیری شد.
خلاصه آزمایش
ما در اینجا یک ماده جدید 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 و ساخت مدارهای الکترونیکی روی این بسترهای زیست تخریب‌پذیر را ممکن ساختیم. در این روش ها ما PVD لایه‌های طلا و مس را همراه با انعطاف پذیری خوب زیرلایه میسلیوم (تا شدن به طور مکرر 2000 بار و شعاع خمشی 5 میلیمتر) و افزایش ناچیز مقاومت بدست آوردیم.
علاوه بر این، ساخت باتری‌های مبتنی بر میسلیوم را نشان دادیم که هم بسته بندی و هم جداکننده سلول‌های کربن-روی را با پوسته‌های میسلیوم زیست پایدار خود جایگزین کردیم که در نتیجه آن باتری های ساخته شده ظرفیت‌هایی تا 3.8 میلی‌آمپر ساعت در سانتیمتر مربع را خواهند داشت.
ما از این باتری‌ها برای تغذیه یک برد مدار شامل حسگر بدون اتصال استفاده مکردیم که قادر به اندازه‌گیری، ذخیره و انتقال داده‌های سنجش رطوبت و مجاورت میباشد.
همچنین تمام مواد مورد استفاده می توانند در طبیعت تجزیه شوند یا بازیافت شوند. با این پیشرفت‌ها، پوست‌های میسلیوم زیست تخریب‌پذیر ممکن است به عنوان یک ماده جایگزین زیست پایدار برای آینده الکترونیک سبز ایفای نقش کنند.
مواد و روش های بکار گرفته شده در آزمایش
پودر روی، پودر زانتان (xanthan gum)، اکسید منگنز (MnO 2) و کربن سیاه استیلن برای الکترودهای درون باتری استفاده شد.
برای ساخت چسب شلاک از تکه های شلاک، به عنوان پرکننده رسانا استفاده شد. جوهر نقره به عنوان پوشش رسانا استفاده شد.*** تمام مواد شیمیایی بدون خالص سازی مورد استفاده قرار گرفتند.
رشد و برداشت پوست میسلیوم
برای کشت قارچ گانودرما لوسیدوم یک کیلوگرم خرده چوب راش خشک را با حدود 50 گرم آرد ارگانیک غلات و 25 گرم پودر سنگ گچ ریز (CaSO 4) مخلوط می کنیم؛ این مخلوط به همراه 2 لیتر آب در زودپز به مدت حداقل 30 دقیقه برای استریل شدن جوشانده شد. بستر مرطوب در جعبه های پلی پروپیلن استریل شده 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) شده در کمپوست بر پایه چوب راش ( G. lucidum) به طور مساوی در تمام ظروف توزیع شده و به صورت دستی در زیر بستر کشت، اضافه می شود.
به عنوان یک شبکه جداسازی، یک صفحه فلای پلی اتیلن قوی با سوراخ های مربعی به عرض 0.5 میلیمتر برش داده شد تا بر روی سطح بستر در ظروف قرار گیرد. پس از استریل شدن با آب جوش و ایزوپروپانول، صفحه ها روی بستر قرار می گیرند، درب آن محکم بسته می شود تا تبادل هوا و گازها به حداقل برسد و جعبه ها در یک فضای تاریک با دمای تقریبی 25 درجه سانتیگراد نگهداری می شوند.
پس از رشد مناسب قارچ های گانودرما، صفحه های جداسازی از بستر رویش را برمیداریم. سپس پوست میسلیوم با دقت از بدنه قارچ با استفاده از تیغه یا کاردک جدا میشود. پوست های مرطوب را بین دو حوله کاغذی قرار داده شد و به آرامی فشار داده 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 داده و با فشار آن ها را به حالت صاف شده کاملاً خشک می‌کنیم.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)
اندازه گیری TGA
یک بوته با ~ 5 میلیگرم پوست میسلیوم پر شد، در Mettler Toledo TGA قرار داده 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
اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با استفاده از Zeiss 1540 XB CrossBeam SEM (ولتاژ شتاب، 5 کیلو ولت) انجام شد. قبل از تصویر برداری، نمونه ها 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 نتیجه کیفیت تصویر.
تست کشش تک محوری
نمونه های 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)
نمونه های پوست میسلیوم با یک سیستم PVD (Oerlikon Leybold Univex 350)، با استفاده از 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
نمونه های پوست میسلیوم پیش فلز شده در محلول الکترولیت طلا (Conrad Electronic International GmbH & Co. KG) غوطه ور شدند و به منبع تغذیه (Rohde & Schwarz München Typ NGM 70/05) با جریان ثابت 100 میلی آمپر متصل شدند. بدین وسیله از یک حلقه فولادی به عنوان الکترود شمارنده استفاده شد.
رسانایی پوست های میسلیوم متالیزه شده
رسانایی یک مسیر متالیز شده روی پوست میسلیوم با اندازه گیری 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) متالیزه می‌شوند و مسیر های مورد نظر با حذف نگاتیو توسط لیزر با لیزر فیبر ایجاد شد. کاتر (Trotec Speedy300 flexx). رسانایی σ به صورت محاسبه شد
که در آن R مقاومت اندازه گیری 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 شده روی یک فویل پلی آمیدی به ضخامت 75 میکرومتر (Kapton HN) قرار داده شد. فویل بین دو صفحه پلی (متیل متاکریلات) موازی بسته شد و مقاومت با یک مولتی متر (Keithley 2110) در پیکربندی چهار سیم تعیین شد. فاصله بین دو صفحه به صورت دوره‌ای تنظیم می‌شد و شعاع خمشی به عنوان فاصله نصف شده بین دو صفحه تقریبی میشود.
آزمایش تا شوندگی
یک نمونه میسلیوم متالیزه شده (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) حکاکی شد(مسیرهای مداری روی آن روکش شده) را به پنج تکه تقسیم کرده (برای یکسان بودن نمونه در 5 بار آزمایش صورت گرفته).
از لبه یک صفحه پلاستیکی نازک برای تثبیت نمونه در اطراف لبه تاشو مورد نظر به دنبال صفحه دوم برای تا کردن میسلیوم روی لبه استفاده شد. پس از برداشتن صفحه اول، میسلیوم حتی بیشتر فشرده شد تا لبه سختی حاصل شود. این فرآیند 12 بار با جهت های تاشو متناوب تکرار شد و برای هر چین جدید، چین های قبلی نیز فشرده می شوند. 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 متالیزه شده (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) با یک LED نصب شده با ایزوپروپانول آغشته شده بود و به صورت مارپیچ دور یک لوله شیشه ای به ضخامت 5 میلیمتر پیچیده شد. یک شکاف نازک در لایه فلزی جریان جریان را از طریق LED تضمین می کند و یک خمیر لحیم کاری با دمای پایین (IND:282، Indium Corporation) برای نصب LED استفاده شد. میسلیوم پیچیده شده روی انتهای نوار با نوار ثابت شد. به محض اینکه ایزوپروپانول کاملاً تبخیر شد، میسلیوم را می توان با کشیدن آن روی لوله شیشه ای جدا کرد. میسلیوم در ساختار مارپیچ داده شده بدون هیچ فرآیند اضافی باقی ماند.
طیف سنجی امپدانس
نمونه های پوست میسلیوم قبل از آزمایش به مدت 24 ساعت در محلول الکترولیت خیسانده شدند. یک سلول اندازه گیری سفارشی برای تعیین امپدانس بین 1 تا 10 مگاهرتز با استفاده از یک تحلیلگر امپدانس (Novocontrol Alpha A Analyzer) با 1 میلی ولت ولتاژ AC استفاده شد. مقاومت توده ای از فلات فرکانس بالا قسمت واقعی امپدانس تعیین شد. رسانایی و مقاومت ویژه با استفاده از مقاومت حجیم و هندسه غشا محاسبه شد.
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 تهیه شد. خمیر کاتد با مخلوط کردن 12 درصد وزنی اکسید منگنز (IV) و 12 درصد وزنی استیلن کربن سیاه در محلول الکترولیت 76 درصد وزنی تهیه شد. برای یک سلول واحد، جمع کننده جریان آند از یک پوست میسلیوم با یک لایه دولایه کروم-مس تشکیل شده است که توسط تبخیر بخار (3 نانومتر کروم و 900 نانومتر مس) اعمال می شود. 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 داده شد و پس از آبکاری به مدت 24 ساعت خشک شد. محفظه هایی برای خمیرهای آند و کاتد فعال (1 سانتی متر در 1 سانتی متر) و همچنین یک قاب برای جداکننده (1.5 سانتی متر در 1.5 سانتی متر) به صورت ساده بریده شد. ورقه های پوست میسلیوم درمان نشده جداکننده حداقل 24 ساعت قبل از مونتاژ در محلول الکترولیت خیس شد. یک گرم پوسته پوسته در 4 میلی لیتر اتانول حل شد و به مدت 20 ساعت هم زده شد تا یک چسب تشکیل شود. باتری لایه به لایه با استفاده از چسب شلاک برای چسبندگی لایه های پوست میسلیوم به یکدیگر ساخته شد. برای پیکربندی دو سلولی که برای تغذیه برد مدار استفاده میشود، جمع‌کننده جریان آند نیز از پوست میسلیوم مسی با روکش طلا ساخته شده بود.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)
مشخصات باتری
مشخصات باتری ها با استفاده از یک واحد اندازه گیری منبع Keithley 2611A متصل به جمع کننده های جریان باتری ثبت شد.
ساخت PCB انعطاف پذیر
PCB منعطف بر اساس یک پوست میسلیوم متالیز شده با سه لایه کروم-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 شدن بیش 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 و امکان به روز رسانی ماژول Over-The-Air از طریق بلوتوث را فراهم کرد. برنامه ماژول در PSoc Creator 4.2 برنامه ریزی شد و با برنامه CySmart 1 به روز شد. 3 با استفاده 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 شده بود تا اندازه پدها افزایش یابد. یک سوئیچ اضافی (CVS-01B، Copal Electronics) برای قطع منبع تغذیه باتری قرار داده شد.(ساخت تراشه های الکترونیکی و باتری ها از قارچ)
اندازه گیری رطوبت
سنسور میسلیوم در یک محفظه آب 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 خوانده شد.
PEDOT: خیساندن PSS
پوست های میسلیوم جوان با محلول آبی PEDOT:PSS یا با غوطه ور کردن یا با قرار دادن یک قطره PH1000 روی پوست خیس شدند. جوهر نقره برای تماس با میسلیوم آغشته به PEDOT:PSS استفاده شد.
پوشش Shellac نوار LED
میسلیوم متالایزه شده جوان (3 نانومتر کروم، 400 نانومتر مس و 50 نانومتر طلا) با سه LED نصب شده روی سطح، با یک مخلوط 1:4 شلاک / اتانول با قلم مو پوشانده شد. لایه شلاک به دست آمده یک پوشش عایق الکتریکی است که محافظت مکانیکی را نیز ارائه می دهد. نمونه دوم با یک براش هوا پوشانده شد و ساختار سطحی حاصل توسط SEM بیشتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
اندازه گیری زبری سطح
پوست میسلیوم جوان از سه برداشت مختلف در یک پروفیلومتر (Dektak 3) قرار داده شد و زبری سطح Rrms با محاسبه میانگین مربع ریشه در طول اسکن 2 میلیمتر و میانگین‌گیری در تمام آثار اندازه‌گیری شده ( n = 9) تعیین شد.
اندازه گیری شکست دی الکتریک
پوست های میسلیوم جوان بین دو مهره برنجی متصل به منبع ولتاژ بالا (140-35000، FuG Elektonik GmbH) قرار گرفتند. ولتاژ به طور مداوم با 50 V s -1 افزایش می یابد تا زمانی که یک شکست / افت ولتاژ شدید رخ دهد.
اندازه گیری خواص الکتریکی
نمونه‌های میسلیوم متالیزه 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 شده 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 گرفتن هندسه الکترودها محاسبه می‌شوند.
اندازه گیری گرمایش الکتریکی
یک نمونه میسلیوم متالیز شده (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 تغذیه آزمایشگاهی (GPD-3303D، GW Instek) با افزایش تدریجی تنظیمات جریان تا زمان خرابی متصل شدند. به طور همزمان، یک دوربین مادون قرمز حرارتی (325sc، FLIR) اندازه گیری دما را بر روی نمونه های میسلیوم انجام می دهد.
اندازه گیری ترکیب زیستی
نمونه‌های میسلیوم با تلقیح کمپوست هوازی که به درستی کار می‌کرد مخلوط شدند و در ظروف کمپوست ساکن قرار داده شدند، با اکسیژن پاکسازی شدند و در دمای ثابت 58 درجه سانتیگراد 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 همراه نمونه های میسلیوم در ظروف کمپوست پر شد. کشتی ها مهر و موم شده و با هوای اشباع از آب پاکسازی شدند. نمونه ها در فواصل 3 تا 4 روز از مایه تلقیح فیلتر شده، در دمای 60 درجه سانتی گراد خشک شده و برای تولید توده خشک نمونه ها توزین شدند. عکس‌ها گرفته شد و از دست دادن جرم با توجه به جرم خشک اولیه نمونه محاسبه شد.
تحلیل آماری
کپی فقط با ذکر منبع مجاز می باشد.
