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Du mycélium comme substrat de circuits électroniques

De nombreux dispositifs électroniques portables et autonomes ne cessent d’être réalisés et commercialisés. Ceci joint à la diminution de leur durée de vie entraîne une énorme quantité de déchets. Le recyclage  et l’économie circulaire ne suffisent pas à stopper ce flux. Les circuits imprimés des téléphones mobiles, par exemple, contiennent 63% en poids de métal, 24% de céramique et 13% de polymères. Tout cela n’est pas dégradable, mais les substrats représentent 37% du poids total.


Des chercheurs autrichiens proposent d’utiliser comme substrat un film, une peau, en mycélium, parfaitement biodégradable, flexible et déformable.

Le mycélium est l’appareil végétatif des champignons, il est constitué d’un ensemble de filaments, les hyphes, qui sont plus ou moins ramifiés et qui son dans le sol ou dans un substrat nutritif. Ce qu’on appelle couramment champignon n’est qu’un sporophore, appareil reproducteur du mycélium chargé de la production et de la maturation des spores.
Fig.1. Exemple de mycélium Structure du champignon Ganoderma lucidum très commun en forêt, c’est son mycélium qui est utilisé comme support de microélectronique. Les racines du mycélium poussent dans le milieu de culture utilisé et il en émerge les sporophores qui poussent à partir de la surface sous certaines conditions de température et d’humidité. Les souches de mycélium forment les structures de filaments, les hyphes, à l’échelle microscopique. Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November License 4.0 (CC BY-NC).

Fig.1. Exemple de mycélium
Structure du champignon Ganoderma lucidum très commun en forêt, c’est son mycélium qui est utilisé comme support de microélectronique. Les racines du mycélium poussent dans le milieu de culture utilisé et il en émerge les sporophores qui poussent à partir de la surface sous certaines conditions de température et d’humidité. Les souches de mycélium forment les structures de filaments, les hyphes, à l’échelle microscopique.
Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics
Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner
S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November
License 4.0 (CC BY-NC).

 

La Mycélioélectronique

Certains papiers ont pu être utilisés comme substrats de senseurs ou de circuits intégrés mais, à la différence du mycélium, leur fabrication nécessite 300 millions de litres d’eau et environ 34 Gigajoules d’énergie par tonne sans compter les fortes quantités d’acides dangereux, de solvants et de bases utilisés.

On peut, au contraire, utiliser comme substrat électronique un nouveau matériau  biodégradable, un film de mycélium d’un fongus, le Ganoderma lucidum, qui croît sur du bois mort et est bien connu des marcheurs dans nos forêts.

En couplant ce matériau, dont les performances approchent celles des micro-mousses de polymères, à des composants électroniques conventionnels non biodégradables, les chercheurs ont obtenu des dispositifs capables de diverses fonctions  sans sacrifier la durabilité. La figure ci-dessous schématise cette approche.

 Fig.2. Schéma de l’utilisation du mycélium comme substrat de dispositifs électroniques Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November License 4.0 (CC BY-NC).


Fig.2. Schéma de l’utilisation du mycélium comme substrat de dispositifs électroniques
Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics
Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner
S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November
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La culture du mycélium, sa récolte et son utilisation

 

Le film de mycélium s’obtient ainsi : on utilise un bloc d’aggloméré à base de copeaux de bois de hêtre, de farine d’épeautre et de plâtre fin; on ensemence une de ses faces avec des spores de G. lucidum  et on la recouvre d’une grille de séparation en polyéthylène. L’ensemble est maintenu à 25°C en atmosphère humide et riche en CO2. Ceci induit la formation d’un film de mycélium sur la surface et, associé à un faible éclairage, empêche la croissance de sporophores. On distingue 3 phases de développement du film. La fig.3 ci-dessous les représente.

Fig.3. Croissance du mycélium sur un substrat avec grille intercalaire On obtient rois types distincts de film de mycélium selon le temps de croissance. La face A correspond à celle en contact avec l’air, la face B à celle en contact avec la grille de polyéthylène. Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November License 4.0 (CC BY-NC).

Fig.3. Croissance du mycélium sur un substrat avec grille intercalaire
On obtient rois types distincts de film de mycélium selon le temps de croissance. La face A correspond à celle en contact avec l’air, la face B à celle en contact avec la grille de polyéthylène.
Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics
Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner
S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November
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La dernière phase de développement du film s’atteint en environ 5 semaines. Après la récolte, les films sont composés de mycélium vivant  saturé d’eau. On les comprime et on les sèche. Cette technique  fournit des films d’une surface de plusieurs mètres carrés. On utilise le même milieu de croissance pour cinq récoltes.

 

Les techniques de fabrication électroniques exigent que le substrat utilisé ait une grande stabilité thermique. C’est le cas des films de mycélium qui sont stables jusqu’à une température de plus de 250°C. Ceci permet le traitement des composants à la surface du substrat avec des techniques usuelles comme la soudure à l’étain.

Selon le temps de croissance ,on obtient des films de diverses épaisseurs. La table suivante illustre cela :

Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November License 4.0 (CC BY-NC).

Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics
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L’implantation des circuits électroniques sur le film de mycélium

 

On dépose par évaporation à la surface du mycélium des métaux : d’abord du cuivre d’une épaisseur de 400 nm (1nm = 1/1000 micromètre), précédé d’une couche d’accrochage de5 nm de chrome. Puis c’est une couche additive d’or de 50 nm qui augmente  la conductivité et protège le cuivre de la corrosion. On peut aussi procéder par dépôt électrolytique. On obtient ainsi toutes les pistes et plots nécessaires à l’installation de composants.

Les propriétés électriques du mycélium jeune sont identiques à celles d’un substrat en papier.

 

Ce type de substrat supporte pliages et courbures en restant fonctionnel.

On peut donner au film de mycélium de nombreuses formes en le trempant dans du 2 propanol (alcool isopropylique) et en le faisant sécher dans un moule.

La Fig. 4 suivante illustre bien le montage de composants électronique sur le mycélium. On y voit le montage de plusieurs DEL.

Fig.4 DELs montées par collage à la gomme laque (Shellac) sur mycélium A) Schéma d’un échantillon de mycélium avec deux pistes conductrices à sa surface. Elles sont connectées à trois DEL à montage en surface. L’échantillon est peint de gomme laque dissoute dans l’éthanol à l’aide d’un aérographe. B) Image au microscope électronique à balayage du bord d’une pisteCu-Au sur le substrat en mycélium, le tout peint au vernis gomme laque. Celui-ci isole toute la surface de l’échantillon. La barre d’échelle vaut 50µm. C) Photographie de la bande de DELs touchée par un doigt, démontrant ainsi la qualité de l’isolation électrique. Barre d’échelle : 1 cm. D) Photographie de la bande de DELs adhérant à un doigt en se courbant. Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November License 4.0 (CC BY-NC).

Fig.4 DELs montées par collage à la gomme laque (Shellac) sur mycélium
A) Schéma d’un échantillon de mycélium avec deux pistes conductrices à sa surface. Elles sont connectées à trois DEL à montage en surface. L’échantillon est peint de gomme laque dissoute dans l’éthanol à l’aide d’un aérographe.
B) Image au microscope électronique à balayage du bord d’une pisteCu-Au sur le substrat en mycélium, le tout peint au vernis gomme laque. Celui-ci isole toute la surface de l’échantillon. La barre d’échelle vaut 50µm.
C) Photographie de la bande de DELs touchée par un doigt, démontrant ainsi la qualité de l’isolation électrique. Barre d’échelle : 1 cm.
D) Photographie de la bande de DELs adhérant à un doigt en se courbant.
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Divers senseurs ont été fabriqués sur substrat de mycélium. Les composants peuvent être démontés et réutilisés dans d’autres circuits.

 

 

Accumulateurs flexibles et biodégradables en films de mycélium

 

Le film de mycélium a une autre application que celle de substrat de circuits électroniques. Sa structure hautement poreuse  permet de l’imbiber de grandes quantités de liquide, d’où l’idée de l’utiliser comme séparateur d’électrodes dans des batteries « vertes ». Celles-ci peuvent d’ailleurs être aussi « embarquées » sur des circuits électroniques à substrat en mycélium.

La Fig. 5. montre la réalisation d’une telle batterie zinc-carbone avec contenant et séparateur en mycélium. L’électrolyte, solution de chlorure de zinc  et de chlorure d’ammonium, imbibe le séparateur après un trempage de 12 H.

Fig.5. Concept d’une batterie en mycélium A) Vue éclatée d’une batterie zinc-carbone utilisant un séparateur mycélium imbibé d’une solution d’électrolyte. B) Photographie d’une telle batterie. C) Courbe de polarisation d’une batterie de ce type assemblée avec une cathode collectrice de courant en or évaporé. Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner S C I E N C E A D V A N C E S. 8, eadd7118 (2022) 11 November License 4.0 (CC BY-NC).

Fig.5. Exemple de batterie en mycélium
A) Vue éclatée d’une batterie zinc-carbone utilisant un séparateur mycélium imbibé d’une solution d’électrolyte.
B) Photographie d’une telle batterie.
C) Courbe de polarisation d’une batterie de ce type assemblée avec une cathode collectrice de courant en or évaporé.
Tiré de MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics
Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner
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License 4.0 (CC BY-NC).

 

Les scientifiques autrichiens, en utilisant comme substrat du mycélium, ont réalisé des systèmes électroniques « durables »incluant même des batteries les rendant indépendants d’alimentation fixe. Ils ont mis au point la fabrication de pistes conductrices découpées par laser et de haute conductivité. Le caractère flexible de tels substrats leur permet de supporter 2000 flexions vers un rayon de 5 mm avec une très faible augmentation de résistance. Les batteries réalisées avec le mycélium ont alimenté des circuits sur mycélium capables de mesurer, de  stocker et de transmettre des données d’humidité et de proximité.

Le mycélium peut ainsi être considéré comme un matériau durable ouvrant la voie à une future électronique « verte »

 

 

Pour en savoir plus :

 

MycelioTronics: Fungal mycelium skin for sustainable electronics
Doris Danninger, Roland Pruckner, Laura Holzinger, Robert Koeppe, Martin Kaltenbrunner
S C I E N C E A D V A N C E S.  8, eadd7118 (2022) 11 November
License 4.0 (CC BY-NC).