Биоэлектроника: Печатные платы из чайного гриба
Чайный гриб — это не только ценный мех чай с сахаром, но и полсотни различных симбиотических бактерий и дрожжей (SCOBY), представляющие собой кулинарную ферментационную культуру (закваску). В своей наиболее распространённой форме, SCOBY является желеобразной биоплёнкой на основе целлюлозы или так называемым микробным матом (дальше для краткости будем называть просто «матом»), плавающий у поверхности жидкости в сосуде. Пелликулы SCOBY могут служить для продолжения процесса ферментации в другом сосуде и воспроизведения нового продукта.
Биоплёнку чайного гриба, после того, как она будет высушена и обработана, можно использовать в промышленности в качестве альтернативы коже животных. Также, в ходе экспериментов маты чайного гриба продемонстрировали динамическую электрическую активность, что позволяет на их основе создание электронных печатных плат. Возможности и электрические свойства чайного гриба, а также их лёгкость, дешевизна и гибкость, по сравнению с классическими электронными схемами, открывают путь для их использования в самых разных областях.
❯ Оно живое
Для приготовления чайного гриба надо смешать чай и сахар с культурой чайного гриба (SCOBY). Растворив сахар в нехлорированном кипятке, необходимо заварить несколько ложек чая по выбору. Как только чай остынет, нужно добавить закваску и перелить всё это в стерилизованный стакан или банку. Затем накрыть стакан или банку бумажным полотенцем или марлей для защиты от насекомых, оставить на две-три недели и вуаля! У вас есть собственный домашний чайный гриб. Новый «ребёнок» SCOBY будет плавать прямо на поверхности жидкости (технически известный в этой форме как пелликула).
Помимо популярности чайного кваса, которую делают из чайного гриба, биоплёнка SCOBY потенциально является полезным биоматериалом. Например, в 2016 году дизайнер из Айовы продемонстрировала экспериментальное исследование по изготовлению из высушенного SCOBY экологичного кожезаменителя для одежды, обуви и аксессуаров. В 2021 году исследователи из Массачусетского технологического института и Имперского колледжа Лондона создали новые виды прочных «живых материалов», которые можно использовать как биосенсоры для очистки воды или обнаружения повреждений упаковочных материалов. Эксперименты, проведённые в 2022 году исследователями из Технологического университета Монтаны (MTU) и Университета штата Аризона (ASU) доказали, что фильтры, выращенные из матов чайного гриба, лучше устраняют образование биоплёнок — серьёзную проблему при очистке воды — чем существующие коммерческие фильтры.
На сегодняшний день чайный гриб является потенциальным кандидатом для производства экологически чистого текстиля. Также, высушенные и живые маты чайного гриба планируют внедрять в умные носимые устройства, чтобы расширить функциональность одежды и гаджетов. Разрабатываются умные эко-носимые устройства, которые будут представлять собой конвергенцию «мёртвой» и «живой» биологической материи.
В научной работе 2021 года, говорится, что маты чайного гриба продемонстрировали динамическую электрическую активность. А в статье 2022 года, описывается разработка бактериальной реактивной перчатки, которая может служить биоэлектронным сенсорным устройством. Вдохновлённые этими результатами и потенциалом мата чайного гриба для носимой электроники, небольшая международная группа инженеров по материалам и компьютерам разработала новый метод печатания электронных схем на высушенных матах SCOBY.
❯ Новая электроника
В свете продолжающихся исследований сенсорных и вычислительных механизмов, встроенных в носимые устройства, учёные оценивают чайный гриб как материал с нелинейными и нетривиальными электрическими свойствами для встраивания в киберфизические носимые устройства. Для достижения цели они проверили, можно ли изготовить основные компоненты электрических цепей на высушенных матах чайного гриба.
Современные электрические схемы требуют надёжных электрических соединений между электронными компонентами и внешних источников сигналов для их построения. Печатные платы обычно изготавливаются с помощью шелкографии, паяльной маски, меди и подложки. Выбор материала имеет решающее значение для успешной работы печатных плат, особенно для теплового равновесия. Большинство подложек печатных плат попадают в одну из двух категорий: жёсткие или гибкие.
Дорожка токопроводящих полимеров на «чайном грибе»
Жёсткие материалы, например, керамика, обычно обеспечивают отличную теплопроводность, хорошие диэлектрические свойства, высокую рабочую температуру и низкий коэффициент расширения. Самый популярный жёсткий материал FR-4, армированный стекловолокном эпоксидный ламинат, недорогой и универсальный. Существенные диэлектрические потери (фактор рассеяния) FR-4 делает его непригодным для высокоскоростных цифровых или высокочастотных аналоговых схем. Печатные платы для носимых устройств часто должны быть механически гибкими, лёгкими, водонепроницаемыми и ударопрочными. Традиционно они на основе пластика, хотя им обычно не хватает устойчивости и экономической эффективности. Полимерные мягкие материалы обладают превосходной устойчивостью к растяжению, изгибу и многим циклам стирки. Кроме того, носимые устройства предназначены для тесного взаимодействия с их носителем, поэтому выгодна биосовместимость или, по крайней мере, стойкость к активной химической среде тела человека. Следовательно сочетание печатных плат на биологической основе и биоразлагаемых компонентов особенно выгодно для носимых устройств.
(а) Контейнер с живым матом чайного гриба на поверхности жидкой культуры. (б) высушенный мат.
Команда учёных использовала бактерии SCOBY, чтобы вырастить маты чайного гриба. После сушки, маты не рвались и не разрушались даже при погружении в воду на несколько суток, и выдерживали температуру в духовке до 200°C, хотя возгорались при контакте с огнём. Учёные распечатали схемы из проводящего полимера (PEDOT: PSS) на высушенных матах чайного гриба при помощи аэрозольного струйного принтера (Aerosol Jet Printing), а также успешно протестировали альтернативный метод 3D-печати схем из проводящей смеси полиэстера и меди. Они подсоединили к схемам небольшие светодиоды при помощи эпоксидного клея с серебром. Схемы сохраняли функциональность после того, как их многократно сгибали/разгибали и растягивали.
❯ Результаты
Продемонстрировано, что можно точно разрезать маты чайного гриба при помощи лазера, распечатать аэрозольной струей PEDOT: PSS схемы металлополимерного композита на матах, нарисовать токопроводящие дорожки и расположить функциональные элементы токопроводящими красками. Лазерная резка оказалась беспроблемной процедурой. Было обнаружено, что с оптимизированными настройками маты чайного гриба хорошо режутся с минимальными затратами.
Образцы напыления PEDOT: PSS и измерения электрических свойств (a) PEDOT: PSS на фиксированном расстоянии друг от друга с соединительными дорожками (b) сопло Aerosol Jet Printing © определённый зазор между дорожками (d) измерение электродами PEDOT: PSS (e) измерение электродами поверхности чайного гриба (f) гидратация PEDOT: PSS
Компания Aerosol Jet Printing напечатала органические электрические проводники с целью создания схем на матах чайного гриба, используемых в качестве потенциальных субстратов в носимой электронике. Аэрозольная струйная печать особенно подходит для печати на неровных поверхностях, гибких и/или поддающихся растяжению подложках из натуральных материалов (биополимеров), поскольку работает в бесконтактном режиме на фиксированном расстоянии от субстрата.
В отличие от живых матов чайного гриба, высушенные маты не проводят электрический ток. Эти маты также значительно легче, дешевле и более гибкие, чем керамика или пластик. Печатные платы из матов SCOBY в перспективе могут действовать как биосенсоры для беспроводной передачи и хранения данных в облаке. Потенциальные приложения с такими электронными схемами включают, например, носимые мониторы сердечного ритма. Дальнейшие исследования нацелены на разработку передовых функциональных электронных схем для обнаружения и распознавания механических, оптических и химических сигналов.
