Electronique Kombucha : circuits électroniques sur tapis kombucha

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9367 (2023) Citer cet article

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Un kombucha est un thé et un sucre fermentés par plus de soixante sortes de levures et de bactéries. Cette communauté symbiotique produit des tapis de kombucha, qui sont des hydrogels à base de cellulose. Les tapis kombucha peuvent être utilisés comme alternative au cuir animal dans l'industrie et la mode une fois qu'ils ont été séchés et durcis. Avant cette étude, nous avons démontré que les tapis de kombucha vivants affichent une activité électrique dynamique et des réponses stimulantes distinctes. Pour une utilisation dans les textiles organiques, les tapis durcis de kombucha sont inertes. Pour rendre fonctionnels les vêtements kombucha, il est nécessaire d'incorporer des circuits électriques. Nous démontrons qu'il est possible de créer des conducteurs électriques sur des tapis de kombucha. Après des flexions et des étirements répétés, les circuits conservent leur fonctionnalité. De plus, les capacités et les propriétés électroniques du kombucha proposé, telles qu'être plus léger, moins cher et plus flexible que les systèmes électroniques conventionnels, ouvrent la voie à leur utilisation dans une large gamme d'applications.

Kombucha est fermenté par une communauté symbiotique de bactéries et de levures1,2,3,4,5. La culture symbiotique de bactéries et de levures produit un hydrogel à base de cellulose, également appelé cellulose bactérienne, biofilm, biomasse commensale, champignon du thé, scoby et zooglea. Un thé fermenté par la communauté symbiotique présente prétendument une gamme de propriétés bénéfiques pour la santé2,6,7, mais celles-ci ne seront pas discutées dans le présent travail.

Les tapis de kombucha sont des systèmes symbiotiques uniques où plus de soixante espèces de levures et de bactéries coopèrent1. Un kombucha est un exemple de proto-multicellularité - un organisme combiné de plusieurs espèces, chacune poursuivant un objectif commun de prolonger la durée de vie de l'organisme collectif. Les propriétés électriques des tapis de kombucha, découvertes pour la première fois en8, peuvent faire avancer les idées sur l'intégration basée sur l'électricité, et éventuellement, la protocognition des organismes symbiotiques9,10,11,12. Des tapis de cellulose bactérienne similaires, par exemple, produits par des colonies d'Acetobacter aceti, se sont avérés présenter des propriétés électriques et des capacités de détection de pression intéressantes13.

Les tapis Kombucha, lorsqu'ils sont correctement durcis, présentent des propriétés similaires à celles des textiles14,15,16,17,18,19 et pourraient constituer une alternative compétitive au cuir fongique et aux vêtements20,21.

Les vêtements en kombucha, bien que n'étant pas un concept communément connu, pourraient potentiellement offrir plusieurs avantages. Kombucha forme un tapis à base de cellulose sur la surface. Ce matériau cellulosique possède des propriétés uniques qui en font un candidat prometteur pour la technologie portable. Voici quelques raisons pour lesquelles les vêtements en kombucha pourraient être importants :

Durabilité : les vêtements Kombucha pourraient être plus durables que les matériaux portables traditionnels. Le matériau à base de cellulose est biodégradable, renouvelable et peut être cultivé à l'aide d'ingrédients simples comme le thé et le sucre. Il a le potentiel de réduire l'impact environnemental associé à la production et à l'élimination des vêtements traditionnels fabriqués à partir de matériaux synthétiques.

Biocompatibilité : Le matériau cellulosique dérivé du kombucha est généralement biocompatible, ce qui signifie qu'il est moins susceptible de provoquer des effets indésirables en cas de contact avec la peau humaine. Cela en fait un matériau potentiellement adapté aux personnes ayant la peau sensible ou des allergies.

Personnalisation : Le matériau kombucha peut être moulé en différentes formes et tailles au cours de son processus de croissance, permettant des vêtements personnalisés qui peuvent s'adapter aux formes et aux besoins de chaque corps. Cette flexibilité pourrait entraîner une amélioration du confort et des performances.

Respirabilité et gestion de l'humidité : les vêtements à base de kombucha ont le potentiel d'être hautement respirants, permettant la circulation de l'air et réduisant l'accumulation d'humidité sur la peau. Cette propriété pourrait être bénéfique pour les vêtements de sport ou d'autres applications où la gestion de l'humidité est importante. De plus, l'absorption d'eau du kombucha aura des effets sur l'augmentation de la conductivité apparente du kombucha ; l'adhérence à la peau est également augmentée après absorption de la sueur, permettant l'auto-adhésion de patchs en matières végétales.

Intégration des capteurs : les appareils portables Kombucha pourraient potentiellement incorporer des capteurs et des composants électroniques dans le matériau lui-même, offrant une intégration transparente et discrète de la technologie avec le corps humain. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour surveiller les mesures de santé, suivre les mouvements ou fournir une rétroaction haptique.

Il convient de noter que si le concept de vêtements portables en kombucha est prometteur, il s'agit toujours d'un domaine émergent de recherche et de développement. Les défis liés à la durabilité, à l'évolutivité et à la production de masse devraient être relevés avant que ces dispositifs portables ne deviennent monnaie courante. Cependant, le potentiel de durabilité et les propriétés uniques des matériaux font des vêtements portables kombucha une perspective intrigante pour l'avenir.

À la lumière des recherches en cours sur les mécanismes de détection et de calcul intégrés dans les wearables vivants22,23,24,25, nous visons à évaluer les tapis kombucha zoogleal en tant que dispositifs portables cyber-physiques potentiellement intégrables avec des propriétés électriques non linéaires et non triviales. Pour atteindre l'objectif, nous testons si les composants de base des circuits électriques pourraient être fabriqués sur des tapis de kombucha secs.

Les circuits électriques modernes nécessitent des connexions électriques fiables entre les composants électroniques (y compris les capteurs) et les signaux externes pour leur construction et leur fonctionnement continu26,27,28. Les cartes de circuits imprimés (PCB) sont généralement construites à partir de sérigraphie, de masque de soudure, de cuivre et de substrat29,30. La sélection des matériaux est cruciale pour le bon fonctionnement des cartes de circuits imprimés, en particulier le comportement thermique. La majorité des substrats de PCB appartiennent à l'une des deux catégories suivantes : dur/rigide ou souple/flexible. Les matériaux à base de céramique offrent généralement une excellente conductivité thermique, de bonnes propriétés diélectriques, une température de fonctionnement élevée et un faible coefficient de dilatation. Le matériau rigide le plus populaire est le FR-4, un stratifié époxy renforcé de verre qui est à la fois peu coûteux et polyvalent31,32. Au-delà de quelques GHz, les importantes pertes diélectriques (facteur de dissipation) du FR-4 le rendent inadapté aux circuits numériques haut débit ou analogiques haute fréquence33,34.

Les PCB pour appareils portables doivent être mécaniquement flexibles, étanches et antichocs et par défaut légers35,36,37,38,39. Traditionnellement, ils sont à base de plastique bien qu'ils manquent généralement de durabilité et de rentabilité. Les matériaux souples polymères offrent une résistance supérieure aux cycles d'étirement, de flexion et de lavage40. De plus, les wearables sont destinés à interagir étroitement avec leur porteur, donc la bio-compatibilité est avantageuse, ou du moins la résistance à l'environnement chimique actif offert par la peau humaine. Par conséquent, la combinaison de PCB biosourcés et de composants biodégradables (y compris les circuits intégrés) est particulièrement avantageuse pour les appareils portables.

Les tapis Kombucha se sont avérés résistants à la déchirure et ne sont pas détruits même par immersion dans l'eau pendant plusieurs jours. Le tapis a survécu à la température du four jusqu'à 200 ° C mais brûle lorsqu'il est exposé à une flamme nue. Nous avons démontré qu'il était possible (1) de découper avec précision des tapis de kombucha au laser, (2) d'imprimer par jet d'aérosol des circuits PODOT:PSS sur des tapis de kombucha, (3) d'imprimer en 3D du TPU et du composite métal-polymère sur des tapis de kombucha, (4) de dessiner des pistes conductrices et d'agencer des éléments fonctionnels avec des peintures conductrices.

Tapis kombucha découpés avec un cutter laser (a) lettres et trous de différentes tailles, (b) trou nominal de 1 mm découpé à \(\sim\)1,1 mm de diamètre avec une puissance laser \(\sim\)25 W, (c) trou nominal de 1 mm découpé à \(\sim\)1,0 mm de diamètre avec une puissance laser \(\sim\)18 W, (d) trous nominaux de 1 mm découpés en partie seulement à \(\sim\)1,0 mm de diamètre avec un laser \(\sim\)10 W pouvoir.

La découpe au laser s'est avérée être une procédure sans problème. Des exemples de tapis de kombucha découpés avec un cutter laser sont illustrés à la Fig. 1. Les paramètres du laser (par exemple, la vitesse de déplacement, la puissance du faisceau et le nombre d'impulsions laser par pouce) se sont avérés essentiels pour une découpe précise. Le réglage optimal pour une épaisseur de 0,45 ± 0,1 mm s'est avéré être de 80 pouces par seconde, \(\sim\)18 W et 500 impulsions par pouce, comme le montre la figure 1c. Si la puissance du faisceau est élevée au-dessus du niveau optimal, la coupe devient plus large que souhaitable, comme le montre la figure 1b. Inversement, si la puissance du faisceau est inférieure au niveau optimal, le tapis n'est que partiellement coupé, comme le montre la figure 1d. Avec des réglages optimisés, les tapis de kombucha se sont avérés bien coupés avec un minimum de fumée. Certaines sections coupées devaient être agitées librement pour être retirées.

Des conducteurs électriques organiques ont été imprimés par Aerosol Jet Printing (AJP) dans le but de créer des circuits sur des tapis de kombucha, exploités comme substrats potentiels dans l'électronique portable. Les circuits sur kombucha peuvent agir en perspective comme des capteurs ou des biocapteurs, couplés également à des antennes imprimées pour la communication de données sans fil et le stockage dans les nuages. Ici, nous allons explorer les propriétés de base des traces imprimées sur la surface du kombucha.

L'impression par jet d'aérosol est particulièrement adaptée à l'impression sur des surfaces irrégulières, des supports souples et/ou étirables en matériaux naturels (bio-polymères) car elle fonctionne en mode sans contact à une distance fixe du support. Les principes et mécanismes de base des techniques AJP ont été discutés dans la littérature41,42,43,44. Cette technologie appartient au secteur de la fabrication additive et offre des avantages par rapport à d'autres technologies bien connues et largement diffusées, telles que l'impression à jet d'encre (généralement appelée encres liquides projetées à l'aide de buses thermiques ou piézoélectriques45).

Une formulation hautement conductrice de PEDOT:PSS a été utilisée comme encre : 2 ml d'encre ont été téléchargés dans l'atomiseur à ultrasons de l'AJP 200, en réglant les débits de gaz à 30 et 25 sccm pour l'atomiseur et le gaz de gaine, respectivement. Une buse de taille 200 um a été montée sur la tête imprimée. Le tirage a été effectué dans des conditions froides pour éviter l'exposition du kombucha aux traitements thermiques. Des éléments de circuit élémentaires ont été imprimés d'abord, 3 électrodes circulaires (2 mm de diamètre) à une distance fixe, agissant comme électrodes de travail, de compteur et de référence, pour l'évaluation de l'impédance de l'interface électrode-kombucha, par analyse par spectroscopie électrochimique d'impédance (EIS).

Exemples de dépôt de circuits PEDOT:PSS et de mesures des propriétés électriques (a) Coussinets ronds PEDOT:PSS à une distance fixe les uns des autres avec des pistes d'interconnexion (b) Buse d'impression par jet d'aérosol (c) écart défini entre les pistes (d) électrodes à ressort sur les coussinets PEDOT:PSS (e) électrodes à ressort sur la surface du kombucha (f) hydratation du PEDOT:PSS.

Propriétés électriques du tapis de kombucha avec et sans circuits PEDOT:PSS (a) impédance par rapport à la fréquence (b) paramètres de spectroscopie.

Des exemples de dépôt de circuits PEDOT: PSS et de mesures des propriétés électriques sont illustrés à la Fig. 2. La figure montre les données acquises de l'EIS sur (1) trois points libres sur la surface du kombucha; (2) trois électrodes PEDOT:PSS utilisées comme électrodes de travail (RE), de compteur (CE) et de référence (RE), placées à des distances fixes et identiques aux points libres de (1); (3) les mêmes mesures que (2) après hydratation, où l'hydratation a été effectuée en plaçant 20 \(\upmu L\) de gouttes d'eau dans la zone environnante des électrodes sur la surface du kombucha. Étant donné que le kombucha est un matériau à base de cellulose, il est très sensible à l'absorption d'eau et l'absorption d'eau dans le squelette du kombucha rend la feuille de kombucha plus conductrice. Les mesures d'impédance augmentent presque instantanément après la chute d'eau et se stabilisent rapidement ; les mesures après 30 min après la chute d'eau montrent un signal plus stable. Les propriétés électriques du tapis kombucha avec et sans circuits PEDOT: PSS sont illustrées à la Fig. 3.

Impression 3D de chenilles souples en TPU (avec 15% de carbone de remplissage) sur tapis kombucha.

Un exemple de pistes de TPU (avec 15 % de remplissage de carbone) imprimées en 3D sur un tapis de kombucha est illustré à la Fig. 4. La résistance des pistes de TPU (avec 15 % de remplissage de carbone) et d'Electrifi (composite métal-polymère - polyester et cuivre biodégradables) variait en fonction de la largeur et de l'épaisseur, comme résumé dans le tableau 1. Des pistes de 100 mm de longueur ont été mesurées avec un compteur LCR (891, BK Precision, Royaume-Uni). Il a été constaté que la flexibilité des chenilles variait avec l'épaisseur. La performance de chaque méthode de fabrication est liée aux capacités du ou des matériaux constitutifs utilisés. Par exemple, le TPU est un élastomère souple qui offre une résistance mécanique élevée, une bonne résistance chimique et une excellente résistance à l'abrasion. De plus, le TPU a une forte adhérence à une variété de substrats et peut être facilement traité en utilisant une variété de techniques telles que le moulage par injection et l'extrusion. En se mélangeant avec du carbone, il peut devenir électriquement conducteur. Cependant, la conductivité électrique du TPU reste inférieure à ce qui est souhaitable malgré la charge en carbone. A l'inverse, Electrifi a une bonne conductivité électrique mais des propriétés mécaniques moins bonnes. Les encres chargées d'argent offrent une conductivité acceptable pour certaines applications, une excellente adhérence à une variété de substrats et un coût modeste. Cependant, l'utilisation d'encres chargées d'argent présente certains inconvénients, tels que la tendance à s'oxyder lorsqu'elles sont exposées à l'air, ce qui entraîne une diminution de la conductivité au fil du temps. Malgré ces inconvénients, l'encre chargée d'argent reste un choix populaire pour l'électronique imprimée en raison de sa facilité de traitement et d'impression. En outre, des progrès ont été réalisés dans le développement d'une encre à base de nanoparticules d'argent avec une conductivité électrique améliorée qui peut être utilisée dans une variété d'applications telles que les biocapteurs et l'électronique extensible.

Les chenilles TPU et Electrifi sont restées attachées au kombucha après quelques jours d'immersion dans l'eau. Leur fixation peut être «mécanique» plutôt que chimique, car les polymères liquides (fondus) sont effectivement «injectés» dans / sur la surface du kombucha, remplissant efficacement toutes les irrégularités de surface qui agissent alors comme des «poignées» maintenant la piste en position. La formulation d'encres souples et étirables est un domaine de recherche actif où de nombreux efforts sont en cours. De nouvelles formulations expérimentales d'encres métalliques aux propriétés étirables et flexibles ont été proposées récemment, appliquées à l'impression jet d'encre et jet aérosol. Les pistes imprimées avec ces nouvelles encres auraient le potentiel de s'adapter et de suivre l'étirement et la flexion des substrats inférieurs. Nous sommes en train de tester certaines de ces nouvelles formulations et de fabriquer également des encres maison.

Peinture électriquement conductrice, ensemble de données de Bare Conductive (Royaume-Uni).

En ce qui concerne la peinture électriquement conductrice, des expériences ont démontré que « Bare Conductive »46 adhère bien aux tapis de kombucha et maintient un certain degré de flexibilité. La conductivité électrique typique des pistes est illustrée à la Fig. 5. La résistance de piste des pistes de peinture conductrices sur les tapis de kombucha variait entre 20 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) et 200 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\). Ces valeurs correspondent à peu près à la fiche technique 'Bare Conductive'46 avec des pistes 'épaisses'. La résistance à la trace de l'encre d'argent conductrice XD-120 sur le tapis de kombucha s'est également avérée variable. Plage typique 1,5 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) à 10 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)

Quatre technologies de fabrication de PCB à base de kombucha ont été explorées : impression par jet d'aérosol de PODOT:PSS, impression 3D de TPU et composite métal-polymère, ajout d'encre avec charge conductrice et découpe laser. Chacun offrait des avantages et des inconvénients par rapport aux autres technologies.

Comme le montre la figure 6, il est possible de construire des circuits électriques sur des tapis de kombucha. Deux largeurs de piste (\(\sim\)3 et \(\sim\)5 mm) et deux packages (3020 et 5050) de dispositifs de montage en surface (SMD) sont affichés. Un époxy conducteur en deux parties chargé d'argent (Chemtronics CW240047) a été appliqué manuellement pour fixer mécaniquement et connecter électriquement les CMS aux pistes en polymère. Pour la fabrication en volume, les SMD seraient automatiquement montés à l'aide d'une machine de sélection et de placement et l'époxy conducteur serait distribué avec précision et automatiquement avec des distributeurs en ligne.

Exemple de rails en composite métal-polymère (Electrifi) sur tapis kombucha (a) \(\sim\)rail de 3 mm de large avec LED SMD (colis 3020) couleur verte (b) \(\sim\)rail de 5 mm de large avec LED SMD (colis 5050) couleur blanche (échelle de la règle en mm).

Deux méthodes potentielles de formation de connexions croisées sur des tapis de kombucha via l'impression 3D de matériau conducteur - ponts croisés à simple face et trou traversant double face via la découpe au laser - sont illustrées à la Fig. 7.

Méthodes de connexion croisée sur les tapis de kombucha (a) pont croisé simple face avec isolant entre (b) trou traversant double face avec découpe au laser.

Les tapis de kombucha présentent des propriétés qui peuvent être exploitées pour imaginer des dispositifs potentiels et futurs à base de kombucha. La conduction électrique dépendante de l'hydratation du kombucha permet d'étendre la gamme de fréquences de fonctionnement potentielles des électrodes de surface sur les tapis de kombucha, ainsi que d'exploiter le tapis de kombucha comme dispositif de commutation résistif dans une cellule électrochimique planaire. La production de tapis de kombucha de haute qualité nécessite des mesures de contrôle de la qualité pour garantir la pureté et la cohérence. L'une des mesures de contrôle de la qualité les plus importantes pour la production de cellulose bactérienne consiste à s'assurer que le milieu de culture utilisé pour la production est exempt de contaminants. Les contaminants peuvent avoir un impact significatif sur la qualité de la cellulose bactérienne, entraînant des résultats incohérents. Une autre mesure importante de contrôle de la qualité est l'utilisation de protocoles standardisés pour la récolte et la purification de la cellulose bactérienne. Cela comprend la surveillance du pH, de la température et de la croissance bactérienne pendant le processus de fabrication. La qualité des tapis de kombucha produits peut être contrôlée en ajustant la température du liquide et la concentration des nutriments, conformément aux protocoles publiés48,49,50.

Les recherches futures porteront sur l'impression de circuits fonctionnels avancés, capables de détecter, et peut-être de reconnaître, des stimuli mécaniques, optiques et chimiques, mettant en œuvre la fusion sensorielle et le traitement distribué de l'information.

(a) Récipient avec un tapis vivant de kombucha à la surface de la culture liquide. (b) Tapis séché.

Le kombucha zooglea a été acheté dans le commerce (Freshly Fermented Ltd, Royaume-Uni) pour faire pousser des tapis de kombucha in situ. L'infusion a été préparée comme suit; 2 % de thé (PG Tips, Royaume-Uni), 5 % de sucre (Silver Spoon, Royaume-Uni) et 1 L d'eau bouillie. Les récipients contenant du kombucha (Fig. 8) ont été stockés à température ambiante (20–23\(\,^{\circ }\)C) dans l'obscurité. La solution a été renouvelée chaque semaine. Les tapis de Kombucha ont été retirés du récipient de culture et séchés à l'air sur du plastique ou du papier à température ambiante (plusieurs techniques ont été essayées).

Quatre technologies de fabrication pour ajouter des pistes conductrices, fixer des composants électroniques et couper des profils de tapis de kombucha ont été explorées.

L'impression par jet d'aérosol de PODOT:PSS a été mise en œuvre comme suit. Des électrodes à base organique et des lignes d'interconnexion ont été imprimées par Aerosol Jet Printing (AJP200, Optomec, US51) en utilisant une formulation à jet d'encre hautement conductrice de PEDOT:PSS (Clevios P JET N V2, Heraeus, US52). Les paramètres d'impression ont été optimisés pour obtenir des traces conductrices sur la surface des tapis de kombucha utilisés comme substrat. Les mesures électrochimiques ont été effectuées par un potentiostat (PalmSens4, PalmSens BV, NL53).

Pour imprimer en 3D du TPU avec 15 % de carbone et un composite métal-polymère - polyester et cuivre biodégradables - deux compositions de filaments (2,85 mm de diamètre) ont été extrudées à chaud sur des tapis de kombucha via une buse de 0,4 mm sur une imprimante 3D (S5, Ultimaker, UK54). Les filaments de composition étaient 'Conductive Filaflex Black' évalué 3,9 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)55 et 'Electrifi Conductive Filament' évalué 0,006 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)56.

Des voies conductrices ont été dessinées sur des tapis de kombucha avec deux compositions d'encre conductrice, y compris "Bare Conductive" notée 55 \(\Omega \hbox {sq}^{-1}\) à 50 \({\upmu }\hbox {m}\) d'épaisseur57 et "XD-120 conductive silver ink" notée 0,00003 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)58.

Lors de la mise en forme, des tapis de kombucha de \(0,45{\pm 0,1}\) mm d'épaisseur ont été découpés avec un découpeur laser CNC de 75 W (Legend 36EXT, Epiloglasers, US,59) tandis que les paramètres (vitesse de mouvement, puissance du faisceau, impulsions par pouce) ont été ajustés pour déterminer les paramètres optimaux.

Les ensembles de données brutes obtenus dans cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Nous sommes reconnaissants à Geoff Sims pour la découpe au laser des tapis de kombucha. Nous remercions le support technique d'Ultimaker/MakerBot pour ses conseils sur l'optimisation des paramètres d'impression avec Ultimaker S5. Nous remercions le Dr Shengrong Ye (Multi3D) pour ses conseils sur l'impression 3D du filament Electrifi.

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Andrew Adamatzky & George Ch. Sirakoulis

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Correspondance à Andrew Adamatzky.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Adamatzky, A., Tarabella, G., Phillips, N. et al. Electronique Kombucha : circuits électroniques sur tapis kombucha. Sci Rep 13, 9367 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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Reçu : 08 février 2023

Accepté : 31 mai 2023

Publié: 09 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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