Het gebruik van schimmeldraden — mycelium — in verpakkingsmateriaal kenden we al, maar nu maakt het organische materiaal zijn intrede in de flexibele elektronica. Onderzoekers in Oostenrijk gebruiken dunne laagjes mycelium als substraat voor chips en batterijtjes. Beter voor het milieu wanneer een apparaat wordt afgedankt.
Als er op een printplaat een laagje nodig is dat elektrisch isolerend werkt – en dus geen stroom geleidt – dan grijpen ontwerpers bijna altijd naar plastic, een goedkoop en erg goed isolerend materiaal. Dat geeft echter ook een hoop onafbreekbare rotzooi op het moment dat de computer wordt afgedankt.
‘Elke dag komt er wereldwijd zo’n 140 ton e-waste bij’, zegt Martin Kaltenbrunner, hoogleraar fysica van zachte materialen aan de Johannes Kepler Universität in het Oostenrijkse Linz. ‘Tenminste, dat waren de cijfers van 2019, dus het cijfer zal nu nog hoger liggen.’
Dichte dradennetwerk van schimmels
In een poging een deel van het gebruikte plastic (meestal polyimide, wat hetzelfde is als kapton, een merknaam) op printplaten te vervangen, doet Kaltenbrunner nu onderzoek naar mycelium, het dichte dradennetwerk van schimmels. ‘Dat materiaal gebruikten collega’s van me op de universiteit in bouwmaterialen, vanwege de isolerende eigenschappen. In mijn groep werken we aan soft electronics, dus het leek ons logisch om die twee bij elkaar te brengen.’
Ook in De Ingenieur besteedden we eerder aandacht aan schimmels als nuttig materiaal voor tal van toepassingen, van nepleer tot verpakkingsmateriaal.
Gesteelde lakzwam
Studenten van Kaltenbrunner gingen aan de slag met Ganoderma lucidum, de gesteelde lakzwam (zie de foto bovenaan). Het ging ze hierbij niet om de zwam die boven de grond groeit, maar om het dradennetwerk dat ondergronds ontstaat, het mycelium. Vooral het dunne laagje waarmee het organisme zijn dradennetwerk beschermt tegen invloeden van buitenaf (bacteriën, andere schimmels), trok hun aandacht. Kaltenbrunner: ‘Dat laagje is 50 à 100 micrometer dik en gemaakt van extra dicht mycelium. Een prachtig biopolymeer, waarvan we meteen al dachten: hier kunnen we iets mee.’
Hoewel helemaal van natuurlijke oorsprong heeft het mycelium-beschermlaagje (zie de figuur hierboven) wel wat weg van plastic. Het is licht, dun, buigzaam en vrij goed bestand tegen temperaturen van een paar honderd graden Celsius. ‘Ook zijn de elektriciteit-isolerende eigenschappen vrij redelijk’, zegt Kaltenbrunner. En het is natuurlijk bioafbreekbaar, daar was het allemaal om begonnen.
Substraat voor chips
Onderzoekers uit zijn groep maakten verschillende voorbeelden van elektronica met mycelium erin, waarover ze schrijven in een artikel in Science Advances, dat 11 november verscheen (open access).
Om te beginnen een flexibel substraat waarop chips zijn aan te brengen. Bestaande substraten zijn lastig om te recyclen, terwijl ze een flink aandeel hebben in de e-waste. In de toekomst zou een buigzame printplaat na gebruik uit elkaar worden gehaald, waarna het mycelium op de composthoop gaat, terwijl de chips een nieuwe bestemming krijgen. Computerchips zijn relatief dure dingen en ‘het ligt dus voor de hand om ze opnieuw te gebruiken, bijvoorbeeld in andere, eenvoudigere toepassingen’, stelt Kaltenbrunner.
Batterij
Ook maakten de Oostenrijkers een eenvoudige batterij, waarbij het poreuze netwerk van schimmeldraden de elektrolyt in zich had opgenomen. Dit batterijtje kan dienst doen in toepassingen waarbij een laag vermogen genoeg is, zoals in een Bluetooth-sensor.
Het natuurlijke materiaal mycelium gaat in elektronica misschien wel honderden jaren mee, denken de onderzoekers, mits het wordt beschermd tegen vocht en uv-licht. Als vocht wordt toegelaten, begint het spul juist te ontbinden. In een week of twee is het dan vergaan. Dat is het proces dat je in gang zet als je het spul wil opruimen.
Startup beginnen
Voordat we echt schimmelmaterialen op de printplaten in onze apparaten zullen aantreffen, zijn we wel een jaar of vijf à tien verder, schat Kaltenbrunner in. ‘Dit zijn altijd lastige dingen om in te schatten, maar er is nog veel vervolgonderzoek nodig. Mijn studenten zijn er druk mee bezig, misschien dat ze over een paar jaar een startup beginnen. Zoiets kan de boel soms flink versnellen.’
De onderzoekers verwachten dat het schimmelsubstraat eerst zal worden gebruikt in elektronica die niet lang hoeft mee te gaan, zoals draagbare sensoren of RFID-labels. Maar de eerste horde die ze moeten nemen is aantonen dat het natuurlijke materiaal inpasbaar is in de bestaande industriële elektronische processen. Dat zijn processen die heel precies zijn en extreem schoon; het is een uitdaging om daarin een natuurlijk materiaal in te passen waarvan elk kweekje er net weer even anders uitziet.
Openingsfoto: het vruchtlichaam van de gesteelde lakzwam. Foto Eric Steinert / CC BY-SA 3.0
Figuren: Danninger et al., Science Advances, 2022 / CC BY-NC 4.0
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.