Kombucha-Elektronik: Elektronische Schaltkreise auf Kombucha-Matten

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9367 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein Kombucha ist ein Tee und Zucker, der durch über sechzig Arten von Hefen und Bakterien fermentiert wird. Diese symbiotische Gemeinschaft produziert Kombucha-Matten, bei denen es sich um Hydrogele auf Zellulosebasis handelt. Die Kombucha-Matten können nach dem Trocknen und Aushärten als Alternative zu Tierleder in Industrie und Mode verwendet werden. Vor dieser Studie haben wir gezeigt, dass lebende Kombucha-Matten dynamische elektrische Aktivität und ausgeprägte stimulierende Reaktionen zeigen. Für die Verwendung in Bio-Textilien sind ausgehärtete Kombucha-Matten inert. Um Kombucha-Wearables funktionsfähig zu machen, ist es notwendig, elektrische Schaltkreise einzubauen. Wir zeigen, dass die Herstellung elektrischer Leiter auf Kombucha-Matten möglich ist. Nach mehrmaligem Biegen und Strecken behalten die Schaltkreise ihre Funktionalität. Darüber hinaus ebnen die Fähigkeiten und elektronischen Eigenschaften des vorgeschlagenen Kombuchas, wie zum Beispiel, dass es leichter, kostengünstiger und flexibler als herkömmliche elektronische Systeme ist, den Weg für seinen Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen.

Kombucha wird von einer symbiotischen Gemeinschaft aus Bakterien und Hefen fermentiert1,2,3,4,5. Die symbiotische Kultur von Bakterien und Hefen produziert ein Hydrogel auf Zellulosebasis, das auch als Bakterienzellulose, Biofilm, kommensale Biomasse, Teepilz, Scoby und Zooglea bekannt ist. Ein von der symbiotischen Gemeinschaft fermentierter Tee weist angeblich eine Reihe gesundheitsfördernder Eigenschaften auf2,6,7, diese werden in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht besprochen.

Kombucha-Matten sind einzigartige symbiotische Systeme, in denen über sechzig Arten von Hefen und Bakterien zusammenarbeiten1. Ein Kombucha ist ein Beispiel für eine Proto-Mehrzelligkeit – ein Organismus, der aus mehreren Arten besteht, von denen jede das gemeinsame Ziel verfolgt, die Lebensdauer des kollektiven Organismus zu verlängern. Die erstmals in 8 entdeckten elektrischen Eigenschaften von Kombucha-Matten können die Ideen zur strombasierten Integration und möglicherweise zur Protokognition symbiotischer Organismen weiter vorantreiben9,10,11,12. Es wurde gezeigt, dass ähnliche bakterielle Zellulosematten, die beispielsweise von Acetobacter aceti-Kolonien hergestellt werden, interessante elektrische Eigenschaften und Druckerkennungsfähigkeiten aufweisen13.

Kombucha-Matten weisen bei richtiger Aushärtung ähnliche Eigenschaften wie Textilien auf14,15,16,17,18,19 und könnten eine wettbewerbsfähige Alternative zu Pilzleder und Wearables darstellen20,21.

Wearables aus Kombucha sind zwar kein allgemein bekanntes Konzept, könnten aber möglicherweise mehrere Vorteile bieten. Kombucha bildet auf der Oberfläche eine Matte auf Zellulosebasis. Dieses Zellulosematerial verfügt über einzigartige Eigenschaften, die es zu einem vielversprechenden Kandidaten für tragbare Technologien machen. Hier sind einige Gründe, warum Wearables aus Kombucha wichtig sein könnten:

Nachhaltigkeit: Kombucha-Wearables könnten im Vergleich zu herkömmlichen Wearable-Materialien nachhaltiger sein. Das auf Zellulose basierende Material ist biologisch abbaubar, erneuerbar und kann mit einfachen Zutaten wie Tee und Zucker angebaut werden. Es hat das Potenzial, die Umweltauswirkungen zu reduzieren, die mit der Herstellung und Entsorgung herkömmlicher Wearables aus synthetischen Materialien verbunden sind.

Biokompatibilität: Das aus Kombucha gewonnene Zellulosematerial ist im Allgemeinen biokompatibel, was bedeutet, dass es bei Kontakt mit der menschlichen Haut weniger wahrscheinlich Nebenwirkungen hervorruft. Dies macht es zu einem potenziell geeigneten Material für Personen mit empfindlicher Haut oder Allergien.

Anpassbarkeit: Das Kombucha-Material kann während seines Wachstumsprozesses in verschiedene Formen und Größen geformt werden, was die Herstellung maßgeschneiderter Wearables ermöglicht, die sich an individuelle Körperformen und Bedürfnisse anpassen können. Diese Flexibilität könnte zu mehr Komfort und Leistung führen.

Atmungsaktivität und Feuchtigkeitsmanagement: Wearables auf Kombucha-Basis haben das Potenzial, hoch atmungsaktiv zu sein, die Luftzirkulation zu ermöglichen und die Feuchtigkeitsansammlung auf der Haut zu reduzieren. Diese Eigenschaft könnte für Sportbekleidung oder andere Anwendungen, bei denen die Feuchtigkeitsregulierung wichtig ist, von Vorteil sein. Darüber hinaus wird die Wasseraufnahme von Kombucha Auswirkungen auf die Erhöhung der Gesamtleitfähigkeit von Kombucha haben; Auch nach der Schweißaufnahme wird die Haftung auf der Haut erhöht, was selbstklebende Pflaster aus pflanzlichen Materialien ermöglicht.

Sensorintegration: Kombucha-Wearables könnten möglicherweise Sensoren und Elektronik in das Material selbst integrieren und so eine nahtlose und unauffällige Integration der Technologie in den menschlichen Körper ermöglichen. Dies könnte neue Möglichkeiten zur Überwachung von Gesundheitsmetriken, zur Verfolgung von Bewegungen oder zur Bereitstellung von haptischem Feedback eröffnen.

Es ist erwähnenswert, dass das Konzept der Wearables aus Kombucha zwar vielversprechend ist, es sich aber immer noch um einen aufstrebenden Forschungs- und Entwicklungsbereich handelt. Herausforderungen im Zusammenhang mit Haltbarkeit, Skalierbarkeit und Massenproduktion müssten angegangen werden, bevor solche Wearables alltäglich werden. Das Potenzial für Nachhaltigkeit und die einzigartigen Materialeigenschaften machen Kombucha-Wearables jedoch zu einer faszinierenden Zukunftsperspektive.

Im Lichte der laufenden Forschung zu in lebenden Wearables eingebetteten Sensor- und Rechenmechanismen22,23,24,25 wollen wir Kombucha-Zoogleal-Matten als potenziell einbettbare cyber-physische tragbare Geräte mit nichtlinearen und nichttrivialen elektrischen Eigenschaften bewerten. Um dieses Ziel zu erreichen, testen wir, ob grundlegende Komponenten der Stromkreise auf trockenen Kombucha-Matten hergestellt werden können.

Moderne elektrische Schaltkreise erfordern für ihren Aufbau und weiteren Betrieb zuverlässige elektrische Verbindungen zwischen elektronischen Komponenten (einschließlich Sensoren) und externen Signalen26,27,28. Leiterplatten (PCBs) bestehen typischerweise aus Siebdruck, Lötmaske, Kupfer und Substrat29,30. Die Materialauswahl ist entscheidend für den erfolgreichen Betrieb von Leiterplatten, insbesondere das thermische Verhalten. Die meisten Leiterplattensubstrate fallen in eine von zwei Kategorien: hart/starr oder weich/flexibel. Materialien auf Keramikbasis bieten typischerweise eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, gute dielektrische Eigenschaften, eine hohe Betriebstemperatur und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten. Das beliebteste starre Material ist FR-4, ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminat, das sowohl kostengünstig als auch vielseitig ist31,32. Oberhalb einiger GHz ist FR-4 aufgrund seines erheblichen dielektrischen Verlusts (Verlustfaktor) für digitale Hochgeschwindigkeits- oder analoge Hochfrequenzschaltungen ungeeignet33,34.

Leiterplatten für Wearables sollten mechanisch flexibel, wasserdicht und stoßfest sowie standardmäßig leicht sein35,36,37,38,39. Traditionell basieren sie auf Kunststoff, obwohl es ihnen in der Regel an Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz mangelt. Weiche Polymermaterialien bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Dehnung, Biegung und Waschzyklen40. Darüber hinaus sollen Wearables eng mit ihrem Träger interagieren, daher ist die Biokompatibilität oder zumindest die Widerstandsfähigkeit gegenüber der aktiven chemischen Umgebung, die die menschliche Haut bietet, von Vorteil. Daher ist die Kombination von biobasierten PCBs und biologisch abbaubaren Komponenten (einschließlich ICs) besonders für Wearables vorteilhaft.

Kombucha-Matten sind nachweislich reißfest und werden auch durch mehrtägiges Eintauchen in Wasser nicht zerstört. Die Matte überstand Ofentemperaturen von bis zu 200 °C, brennt jedoch, wenn sie offenem Feuer ausgesetzt wird. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, (1) Kombucha-Matten präzise mit Laser zu schneiden, (2) PODOT:PSS-Schaltkreise mit einem Aerosolstrahl auf Kombucha-Matten zu drucken, (3) TPU und Metall-Polymer-Verbundstoff auf Kombucha-Matten 3D-zu drucken und (4) zu zeichnen Leiterbahnen auftragen und Funktionselemente mit Leitlacken anordnen.

Mit einem Laserschneider geschnittene Kombucha-Matten (a) Buchstaben und Löcher unterschiedlicher Größe, (b) nominell 1 mm großes Loch, geschnitten auf \(\sim\)1,1 mm Durchmesser mit \(\sim\)25 W Laserleistung, (c) nominal 1-mm-Loch mit \(\sim\)18 W Laserleistung auf \(\sim\)1,0 mm Durchmesser geschnitten, (d) nominale 1-mm-Löcher nur teilweise auf \(\sim\)1,0 mm Durchmesser mit \( \sim\)10 W Laserleistung.

Das Laserschneiden erwies sich als problemloses Verfahren. Beispiele für mit einem Laserschneider geschnittene Kombucha-Matten sind in Abb. 1 dargestellt. Die Lasereinstellungen (z. B. Bewegungsgeschwindigkeit, Strahlleistung und Anzahl der Laserimpulse pro Zoll) erwiesen sich als entscheidend für das genaue Schneiden. Die optimale Einstellung für eine Dicke von 0,45 ± 0,1 mm lag bei 80 Zoll pro Sekunde, \(\sim\)18 W und 500 Impulsen pro Zoll, wie in Abb. 1c dargestellt. Wenn die Strahlleistung über das optimale Niveau angehoben wird, wird der Schnitt breiter als gewünscht, wie in Abb. 1b dargestellt. Wenn umgekehrt die Strahlleistung unter dem optimalen Wert liegt, wird die Matte nur teilweise durchtrennt, wie in Abb. 1d dargestellt. Bei optimierten Einstellungen wurde festgestellt, dass Kombucha-Matten bei minimaler Rauchentwicklung gut schneiden. Einige abgeschnittene Abschnitte mussten zum Entfernen freigerührt werden.

Organische elektrische Leiter wurden von Aerosol Jet Printing (AJP) mit dem Ziel gedruckt, Schaltkreise über Kombucha-Matten zu erzeugen, die als potenzielle Substrate in tragbarer Elektronik genutzt werden können. Schaltkreise über Kombucha können perspektivisch als Sensoren oder Biosensoren fungieren, gekoppelt auch mit gedruckten Antennen für die drahtlose Datenkommunikation und Speicherung in Clouds. Hier werden wir die grundlegenden Eigenschaften gedruckter Spuren auf der Oberfläche von Kombucha untersuchen.

Der Aerosol-Jet-Druck eignet sich besonders für den Druck auf unregelmäßigen Oberflächen sowie auf flexiblen und/oder dehnbaren Substraten aus natürlichen Materialien (Biopolymeren), da er im berührungslosen Modus in einem festen Abstand zum Substrat arbeitet. Grundprinzipien und Mechanismen von AJP-Techniken wurden in der Literatur diskutiert41,42,43,44. Diese Technologie gehört zum Bereich der additiven Fertigung und bietet Vorteile gegenüber anderen bekannten und weit verbreiteten Technologien, wie etwa dem Tintenstrahldruck (normalerweise bezeichnet man flüssige Tinten, die mit thermischen oder piezoelektrischen Düsen ausgestoßen werden45).

Als Tinte wurde eine hochleitfähige Formulierung von PEDOT:PSS verwendet: 2 ml Tinte wurden in den Ultraschallzerstäuber von AJP 200 geladen, indem die Gasströme für den Zerstäuber und das Hüllgas auf 30 bzw. 25 sccm eingestellt wurden. Am Druckkopf war eine 200 µm große Düse montiert. Der Drucklauf wurde unter kühlen Bedingungen durchgeführt, um zu vermeiden, dass Kombucha Wärmebehandlungen ausgesetzt wird. Zunächst wurden elementare Schaltkreiselemente gedruckt, drei kreisförmige Elektroden (2 mm Durchmesser) in einem festen Abstand, die als Arbeits-, Gegen- und Referenzelektroden dienten, um die Impedanz der Elektrode-Kombucha-Grenzfläche durch Impedanz-Elektrochemische-Spektroskopie-Analyse (EIS) zu bewerten .

Beispiele für die Abscheidung von PEDOT:PSS-Schaltkreisen und Messungen elektrischer Eigenschaften (a) Runde PEDOT:PSS-Pads in einem festen Abstand voneinander mit Verbindungsbahnen (b) Aerosol-Jet-Druckdüse (c) definierter Spalt zwischen Bahnen (d) federbelastet Elektroden auf PEDOT:PSS-Pads (e) federbelastete Elektroden auf der Oberfläche von Kombucha (f) Hydratation von PEDOT:PSS.

Elektrische Eigenschaften der Kombucha-Matte mit und ohne PEDOT:PSS-Schaltkreise (a) Impedanz gegenüber der Frequenz (b) Spektroskopieeinstellungen.

Beispiele für die Abscheidung von PEDOT:PSS-Schaltkreisen und Messungen elektrischer Eigenschaften sind in Abb. 2 dargestellt. Die Abbildung zeigt die erfassten EIS-Daten über (1) drei freie Punkte über der Kombucha-Oberfläche; (2) drei PEDOT:PSS-Elektroden, die als Arbeits- (RE), Gegen- (CE) und Referenzelektroden (RE) verwendet werden und in festen Abständen platziert sind, die den freien Punkten von (1) entsprechen; (3) die gleichen Messungen wie (2) nach der Hydratation, wobei die Hydratation durch Platzieren von 20 µL Wassertropfen im Umgebungsbereich der Elektroden über der Kombucha-Oberfläche durchgeführt wurde. Da es sich bei Kombucha um ein Material auf Zellulosebasis handelt, reagiert es sehr empfindlich auf Wasseraufnahme, und die Aufnahme von Wasser im Kombucha-Rückgrat macht die Kombucha-Folie leitfähiger. Impedanzmessungen steigen fast sofort nach dem Eintropfen von Wasser an und stabilisieren sich schnell; Die Messungen 30 Minuten nach dem Zutropfen des Wassers zeigen ein stabileres Signal. Die elektrischen Eigenschaften der Kombucha-Matte mit und ohne PEDOT:PSS-Schaltkreise sind in Abb. 3 dargestellt.

3D-Druck von flexiblen TPU-Schienen (mit 15 % Carbonfüllung) auf einer Kombucha-Matte.

Ein Beispiel für Spuren aus TPU (mit 15 % Kohlenstofffüllung), die in 3D auf eine Kombucha-Matte gedruckt wurden, ist in Abb. 4 dargestellt. Die Spurfestigkeit von TPU (mit 15 % Kohlenstofffüllung) und Electrifi (Metall-Polymer-Verbundwerkstoff – biologisch abbaubarer Polyester und Kupfer) wurde gefunden variieren je nach Breite und Dicke, wie in Tabelle 1 zusammengefasst. Spuren mit einer Länge von 100 mm wurden mit einem LCR-Messgerät (891, BK Precision, UK) gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Flexibilität der Schienen mit der Dicke variiert. Die Leistung jeder Herstellungsmethode hängt von den Fähigkeiten der verwendeten Werkstoffe ab. TPU ist beispielsweise ein flexibles Elastomer, das eine hohe mechanische Festigkeit, gute chemische Beständigkeit und eine hervorragende Abriebfestigkeit bietet. Darüber hinaus weist TPU eine starke Haftung auf einer Vielzahl von Substraten auf und kann mithilfe verschiedener Techniken wie Spritzguss und Extrusion problemlos verarbeitet werden. Durch die Mischung mit Kohlenstoff kann es elektrisch leitfähig werden. Allerdings bleibt die elektrische Leitfähigkeit von TPU trotz Kohlenstoffbeladung niedriger als wünschenswert. Umgekehrt hat Electrifi eine gute elektrische Leitfähigkeit, aber schlechtere mechanische Eigenschaften. Mit Silber angereicherte Tinten bieten für einige Anwendungen eine akzeptable Leitfähigkeit, eine hervorragende Haftung auf einer Vielzahl von Substraten und sind kostengünstig. Die Verwendung silberhaltiger Tinten weist jedoch einige Nachteile auf, z. B. die Tendenz zur Oxidation an der Luft, was mit der Zeit zu einer Abnahme der Leitfähigkeit führt. Trotz dieser Nachteile bleibt silberhaltige Tinte aufgrund ihrer einfachen Verarbeitung und Bedruckung eine beliebte Wahl für gedruckte Elektronik. Darüber hinaus wurden Fortschritte bei der Entwicklung von Tinte auf der Basis von Silbernanopartikeln mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit erzielt, die in einer Vielzahl von Anwendungen wie Biosensoren und dehnbarer Elektronik eingesetzt werden kann.

Sowohl die TPU- als auch die Electrifi-Spuren blieben nach ein paar Tagen Eintauchen in Wasser am Kombucha haften. Ihre Befestigung könnte eher „mechanisch“ als chemisch sein, da die flüssigen (geschmolzenen) Polymere effektiv in/auf die Oberfläche von Kombucha „injiziert“ werden und so alle Oberflächenunregelmäßigkeiten auffüllen, die dann als „Griffe“ dienen, die die Spur in Position halten. Die Formulierung flexibler und dehnbarer Tinten ist ein aktives Forschungsgebiet, in dem viele Anstrengungen unternommen werden. Kürzlich wurden neue experimentelle Metalltintenformulierungen mit dehnbaren und flexiblen Eigenschaften vorgeschlagen, die im Tintenstrahl- und Aerosolstrahldruck eingesetzt werden. Mit diesen neuen Tinten gedruckte Spuren hätten das Potenzial, sich der Dehnung und Biegung der darunter liegenden Substrate anzupassen und ihnen zu folgen. Wir sind dabei, einige dieser neuen Formulierungen zu testen und auch selbstgemachte Tinten herzustellen.

Elektrisch leitfähiger Lack, Datensatz von Bare Conductive (UK).

In Bezug auf elektrisch leitfähige Farbe haben Experimente gezeigt, dass „Bare Conductive“46 gut auf den Kombucha-Matten haftet und ein gewisses Maß an Flexibilität beibehält. Die typische elektrische Leitfähigkeit für Bahnen ist in Abb. 5 dargestellt. Der Bahnwiderstand der leitfähigen Farbbahnen auf Kombucha-Matten variierte zwischen 20 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) und 200 \(\Omega \hbox { cm}^{-1}\). Diese Werte stimmen in etwa mit dem Datenblatt „Bare Conductive“46 mit „dicken“ Leiterbahnen überein. Es wurde auch festgestellt, dass der Spurwiderstand der leitfähigen Silbertinte XD-120 auf der Kombucha-Matte variiert. Typischer Bereich 1,5 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) bis 10 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)

Vier Technologien zur Herstellung von Leiterplatten auf Kombucha-Basis wurden untersucht: Aerosolstrahldruck von PODOT:PSS, 3D-Druck von TPU und Metall-Polymer-Verbundwerkstoff, Hinzufügen von Tinte mit leitfähigem Füllstoff und Laserschneiden. Jede bot im Vergleich zu anderen Technologien Vor- und Nachteile.

Wie in Abb. 6 gezeigt, ist es möglich, elektrische Schaltkreise auf Kombucha-Matten aufzubauen. Es werden zwei Leiterbahnbreiten (\(\sim\)3 und \(\sim\)5 mm) und zwei Pakete (3020 und 5050) von oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMD) angezeigt. Ein silberhaltiges, leitfähiges Zweikomponenten-Epoxidharz (Chemtronics CW240047) wurde manuell aufgetragen, um SMDs mechanisch an Polymerleiterbahnen zu befestigen und elektrisch zu verbinden. Für die Massenfertigung würden SMDs automatisch mit einer Bestückungsmaschine montiert und leitfähiges Epoxidharz präzise und automatisch mit Inline-Dispensern dosiert.

Beispiel für Metall-Polymer-Verbund (Electrifi)-Schienen auf Kombucha-Matte (a) \(\sim\)3 mm breite Schiene mit SMD-LED (3020-Gehäuse) grüne Farbe (b) \(\sim\)5 mm breite Schiene mit SMD LED (5050-Paket) weiße Farbe (Maßstab des Lineals in mm).

Zwei mögliche Methoden zur Bildung von Querverbindungen auf Kombucha-Matten durch 3D-Druck von leitfähigem Material – einseitige Kreuzbrücken und doppelseitige Durchgangslöcher mittels Laserlochschneiden – sind in Abb. 7 dargestellt.

Methoden zur Querverbindung auf Kombucha-Matten (a) einseitige Kreuzbrücke mit Isolator dazwischen (b) doppelseitiges Durchgangsloch mit Laser-Lochschneiden.

Kombucha-Matten weisen Eigenschaften auf, die genutzt werden können, um potenzielle und zukünftige Geräte auf Kombucha-Basis vorzustellen. Die hydratationsabhängige elektrische Leitung von Kombucha ermöglicht die Erweiterung des potenziellen Betriebsfrequenzbereichs von Oberflächenelektroden über Kombucha-Matten sowie die Nutzung der Kombucha-Matte als Widerstandsschaltgerät in einer planaren elektrochemischen Zelle. Die Herstellung hochwertiger Kombucha-Matten erfordert Qualitätskontrollmaßnahmen, um Reinheit und Konsistenz sicherzustellen. Eine der wichtigsten Qualitätskontrollmaßnahmen bei der Produktion von Bakterienzellulose ist die Sicherstellung, dass das für die Produktion verwendete Kulturmedium frei von Verunreinigungen ist. Verunreinigungen können einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Bakterienzellulose haben und zu inkonsistenten Ergebnissen führen. Eine weitere wichtige Qualitätskontrollmaßnahme ist die Verwendung standardisierter Protokolle für die Ernte und Reinigung von Bakterienzellulose. Dazu gehört die Überwachung des pH-Werts, der Temperatur und des Bakterienwachstums während des Herstellungsprozesses. Die Qualität der hergestellten Kombucha-Matten kann durch die Anpassung der Flüssigkeitstemperatur und der Nährstoffkonzentration gemäß veröffentlichten Protokollen48,49,50 gesteuert werden.

Zukünftige Forschung wird sich mit dem Drucken fortschrittlicher Funktionsschaltkreise befassen, die in der Lage sind, mechanische, optische und chemische Reize zu erkennen und möglicherweise zu erkennen, sowie sensorische Fusion und verteilte Informationsverarbeitung umzusetzen.

(a) Behälter mit Kombucha-Lebendmatte auf der Oberfläche der Flüssigkultur. (b) Getrocknete Matte.

Der Kombucha-Zooglea wurde kommerziell beschafft (Freshly Fermented Ltd, UK), um vor Ort Kombucha-Matten anzubauen. Der Aufguss wurde wie folgt zubereitet; 2 % Tee (PG Tips, UK), 5 % Zucker (Silver Spoon, UK) und 1 l abgekochtes Leitungswasser. Behälter mit Kombucha (Abb. 8) wurden bei Umgebungstemperatur (20–23\(\,^{\circ }\)C) im Dunkeln gelagert. Die Lösung wurde jede Woche aktualisiert. Kombucha-Matten wurden aus dem Kulturbehälter entnommen und auf Plastik oder Papier bei Umgebungstemperatur luftgetrocknet (es wurden mehrere Techniken ausprobiert).

Es wurden vier Fertigungstechnologien zum Hinzufügen von Leiterbahnen, zum Anbringen elektronischer Komponenten und zum Schneiden von Profilen von Kombucha-Matten untersucht.

Der Aerosolstrahldruck von PODOT:PSS wurde wie folgt implementiert. Elektroden und Verbindungsleitungen auf organischer Basis wurden mit Aerosol Jet Printing (AJP200, Optomec, US51) unter Verwendung einer hochleitfähigen Tintenstrahlformulierung von PEDOT:PSS (Clevios P JET N V2, Heraeus, US52) gedruckt. Die Druckparameter wurden optimiert, um leitfähige Spuren auf der Oberfläche der als Substrat verwendeten Kombucha-Matten zu erzielen. Elektrochemische Messungen wurden mit einem Potentiostat (PalmSens4, PalmSens BV, NL53) durchgeführt.

Für den 3D-Druck von TPU mit 15 % Kohlenstofffüllung und Metall-Polymer-Verbundstoff – biologisch abbaubarer Polyester und Kupfer – wurden zwei Filamentzusammensetzungen (2,85 mm Durchmesser) über eine 0,4-mm-Düse auf einem 3D-Drucker (S5, Ultimaker, UK54) heiß auf Kombucha-Matten extrudiert. Bei den zusammengesetzten Filamenten handelte es sich um „Conductive Filaflex Black“ mit einer Bewertung von 3,9 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)55 und „Electrifi Conductive Filament“ mit einer Bewertung von 0,006 \(\Omega \hbox {cm}^{-1} \)56.

Leitfähige Bahnen wurden auf Kombucha-Matten mit zwei Zusammensetzungen leitfähiger Tinte gezeichnet, darunter „Bare Conductive“, bewertet mit 55 \(\Omega \hbox {sq}^{-1}\) bei 50 \({\upmu }\hbox {m} \) Dicke57 und „XD-120 leitfähige Silbertinte“ mit einer Nennleistung von 0,00003 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)58.

Bei der Formgebung wurden Kombucha-Matten mit einer Dicke von \(0,45{\pm 0,1}\) mm mit einem 75-W-CNC-Laserschneider (Legend 36EXT, Epiloglasers, US,59) geschnitten, während Parameter (Bewegungsgeschwindigkeit, Strahlleistung, Impulse pro Zoll) wurden angepasst, um die optimalen Einstellungen zu ermitteln.

Die in dieser Studie erhaltenen Rohdatensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Wir danken Geoff Sims für das Laserschneiden von Kombucha-Matten. Wir danken dem technischen Support von Ultimaker/MakerBot für die Anleitung zur Optimierung der Druckeinstellungen mit Ultimaker S5. Wir danken Dr. Shengrong Ye (Multi3D) für die Beratung zum 3D-Druck von Electrifi-Filamenten.

Unconventional Computing Laboratory, University of the West of England, Bristol, Großbritannien

Andrew Adamatzky, Neil Phillips, Alessandro Chiolerio, Anna Nikolaidou & George Ch. Sirakoulis

Institut für Materialien für Elektronik und Magnetismus, Nationaler Forschungsrat (IMEM-CNR), Parma, Italien

Giuseppe Tarabella und Passquale D'Angelo

Italienisches Technologieinstitut, Zentrum für konvergierende Technologien, sanfte bioinspirierte Robotik, Via Morego 30, 16165, Genua, Italien

Alessandro Chiolerio

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Demokrit-Universität Thrakien, Xanthi, Griechenland

Andrew Adamatzky & George Ch. Sirakoulis

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Korrespondenz mit Andrew Adamatzky.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Adamatzky, A., Tarabella, G., Phillips, N. et al. Kombucha-Elektronik: Elektronische Schaltkreise auf Kombucha-Matten. Sci Rep 13, 9367 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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Eingegangen: 08. Februar 2023

Angenommen: 31. Mai 2023

Veröffentlicht: 09. Juni 2023

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

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Kombucha-Elektronik: Elektronische Schaltkreise auf Kombucha-Matten