الترسيب المعدني الانتقائي المستحث بالليزر لأنماط موصلة على السيليكون عبر طلاء كربونات هيدروكسيد النحاس

أسلاك مطاطة لجيل جديد من الأجهزة القابلة للارتداء

من ساعات اليد الذكية إلى رقع طبية، تحتاج العديد من الأجهزة الحديثة إلى توصيلات ناعمة وصديقة للبشرة يمكنها الانحناء والتمدد دون الانكسار. لكن صنع دوائر معدنية على مواد لينة مثل السيليكون صعب للغاية: المعدن عادةً لا يلتصق جيدًا، وقد يتشقق عند التمدد، وغالبًا ما تتطلب طرق التصنيع درجات حرارة عالية أو مواد كيميائية سامة. تقدم هذه الورقة طريقة لطيفة تعمل في درجة حرارة الغرفة لـ «رسم» أسلاك من النحاس مباشرة على مطاط سيليكون لين شائع، مما يفتح الباب أمام إلكترونيات قابلة للارتداء والزرع أكثر موثوقية وراحة.

لماذا من الصعب بناء إلكترونيات لينة

يجب أن تلتصق الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة الاستشعار المرنة بالجسم، وتلتف مع المفاصل، وتتحمل آلاف دورات التمدد بينما تنقل إشارات كهربائية نقية. تُعد مطاطات السيليكون مثل Ecoflex مثالية لهذه المهمة لأنها شديدة النعومة والقدرة على الامتداد ومتوافقة حيويًا. ومع ذلك، فإن طاقة سطحها المنخفضة جدًا تجعل من الصعب على أغشية المعدن أو أحبار التوصيل أن تبل وتلتصق بها. الطرق الحالية، مثل طباعة أحبار جسيمات المعدن أو إدماج معادن سائلة، غالبًا ما تتطلب تنعيمًا حراريًا بدرجات حرارة عالية أو معالجات سطحية معقدة أو مواد يمكن أن تتأكسد أو تنفصل أو تهيج الجلد. لقد افتقر المجال إلى طريقة بسيطة ومنخفضة السمية لنمطية توصيلات معدنية متينة على السيليكون النقي دون تحويله إلى مركب جامد أو تالف.

طريقة «الرسم» بالليزر على سيليكون لين

طور الباحثون عملية محدثة تُدعى الترسيب المعدني الانتقائي المستحث بالليزر تعمل مباشرة على سيليكون Ecoflex المتصلب. أولًا، يرشون بلطف طبقة رقيقة من مسحوق أخضر — كربونات هيدروكسيد النحاس — على سطح السيليكون. ثم يَمسح ليزر قريب من تحت الأحمر أو فقط على مسارات الدوائر المرغوبة. تُسخن طاقة الليزر موضعياً الطلاء وطوبوغرافيا سطح السيليكون العلوي، مسببة خشونة السطح، وخلق مجالات غنية بالكربون الدقيقة، وتحويل جزئي لأيونات النحاس إلى جسيمات نحاسية معدنية. تستقر بذور النحاس المتكونة حديثًا داخل السيليكون ذي النسيج الدقيق، وتعمل كقوابس للمعدن الذي سينمو لاحقًا. يمكن غسل المسحوق غير المستخدم، جمعه، وإعادة استخدامه، مما يقلل النفايات ويتجنب تحميل الجزيئات داخل السيليكون بشكل دائم.

نمو مسارات نحاسية قوية منخفضة المقاومة

بعد أن يعرّف الليزر المسارات «المنشطة»، تُغمس العينة في حمام كيميائي يؤدي إلى ترسيب طبقة نحاسية رقيقة فقط حيث توجد البذور. تُنشئ خطوة الطلاء الكهروكيميائي اللاكهربائي هذه فيلمًا معدنيًا مستمرًا لكنه هش نسبيًا. لتقويته، يضيف الفريق خطوة طلاء كهربي منخفض الحرارة، تبني طبقة النحاس حتى حوالي 30 ميكرومتر سمكًا. تُظهر المجاهر والتحليل العنصري كيف يتحول السيليكون المبتدئ الناعم إلى سطح خشن ثم يُغطى تدريجيًا بطبقة نحاسية أكثر كثافة. تكشف الاختبارات الميكانيكية أن مسارات النحاس مقفلة بثبات داخل السيليكون، بقوة قشر أعلى بكثير من العديد من الأقطاب المرنة الشائعة. من خلال تصميم النحاس بأشكال متعرجة، يحقق الباحثون قابلية امتداد تصل إلى حوالي 125% إجهاد مع إبقاء تغيرات المقاومة الكهربائية صغيرة جدًا على مدى مئات دورات التمدد والإرخاء.

من إشارات القلب إلى هوائيات مرنة

لإظهار أن العملية عملية، بنى الفريق عدة أجهزة عرض توضيحية. نقشوا مسارات نحاسية على Ecoflex شفاف لإنشاء رقعة تخطيط كهربية القلب (ECG) ناعمة تلتصق بالجلد براحة دون لاصقات إضافية. عندما ارتداها متطوع، سجلت الرقعة إشارات قلب واضحة لمدة 30 دقيقة، سواء في السكون أو أثناء حركة لطيفة، مع موجات محددة جيدًا لازمة للتفسير السريري. كما صنعوا دائرة قابلة للامتداد تغذي مجموعة من مصابيح LED الزرقاء التي واصلت الإضاءة أثناء ثني السيليكون وتمديده، وهوائي شحن لاسلكي مرن يمكن لفه حول أسطوانة مع الاحتفاظ بنقل الطاقة. تشير هذه الأمثلة إلى أن الطريقة يمكن أن تدعم الاستخدام الحقيقي في مراقبة الصحة القابلة للارتداء، والإضاءة اللينة، ومعدات الاتصالات.

ماذا يعني هذا للتكنولوجيا اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه العمل كيفية «طباعة» توصيلات نحاسية متينة على سيليكون لين جدًا باستخدام مسحوق قابل لإعادة التدوير، وليزر مسح، وأحواض كيميائية معتدلة — دون أقنعة، دون حرارة عالية، ودون معادن باهظة الثمن أو شديدة السمية. تجمع الدوائر الناتجة بين أداء كهربائي جيد، والتصاق قوي، ومرونة عالية، وهي كلها عناصر أساسية لأجهزة مريحة تعيش على أو داخل الجسم. مع تحسينات لاحقة لحماية النحاس من التأكسد طويل الأمد وتكييف الطريقة لتشمل بلاستيكيات أخرى، يمكن أن تساعد هذه الاستراتيجية في جعل الأجهزة القابلة للارتداء المستقبلية أرقّ وأنعم وأكثر موثوقية، مما يقرب وظائف الاستشعار الطبية والمعالجة اللاسلكية من الملابس اليومية واللُصقات الشبيهة بالبشرة.

الاستشهاد: Wei, Y., Yang, X., Tian, H. et al. Laser-induced selective metallization of conductive patterns on silicone via copper carbonate hydroxide coating. Microsyst Nanoeng 12, 96 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01207-2

الكلمات المفتاحية: الإلكترونيات المرنة, أقطاب قابلة للامتداد, معالجة بالليزر, طلاء بالنحاس, أجهزة استشعار قابلة للارتداء