نقل كريوجيني عالمي لجزَيرات المعدن السائل في البوليمرات للإلكترونيات المرنة على مستوى الرقاقة

إلكترونيات تتحرك معك

تخيل جهاز تتبُّع للياقة رقيقًا ومطاطيًا مثل لاصق الجروح، أو غرسة طبية تنحني وتتكيف كالنسيج الطري دون فقدان أدائها الإلكتروني. تصف هذه الورقة طريقة جديدة لبناء مثل هذه الإلكترونيات «المطاطية» باستخدام قطرات صغيرة من معدن سائل مدفونة داخل بلاستيك مرن. وجد الباحثون عملية تصنيع تعمل عبر رقائق سيليكون كاملة ومع مجموعة واسعة من المواد اللينة، بما يقرب الإلكترونيات الشبيهة بالجلد والصديقة للجسم من واقع الحياة اليومية.

لماذا المعادن السائلة جذابة جدًا

تعتمد معظم الإلكترونيات على أسلاك معدنية صلبة تتشقق عند ثنيها بشدة. بالمقابل، تُظهر المعادن السائلة المعتمدة على الغاليوم سلوكًا يشبه المعدن والسائل في آن واحد: فهي توصل الكهرباء تقريبًا بمعدل المعادن الصلبة لكنها قادرة على التشوه الكبير دون الانكسار. هذا يجعلها مثالية لدوائر قابلة للتمدد يمكنها الالتفاف حول المفاصل أو الأعضاء. ومع ذلك، فإن طبيعتها السائلة نفسها تثير مشكلات في التصنيع. فهي تتكوّر مثل الماء على سطح مشمع، ولا تلتصق جيدًا بالعديد من أنواع البلاستيك، وقد تتسرّب أو تتشوه عندما يُشد الجهاز. الطرق السابقة للنقش كانت إما تفتقر إلى دقة فائقة، أو تعمل فقط على أنواع محددة من البلاستيك، أو تُنتج مسارات تفشل تحت الحركة المتكررة.

طريقة جديدة لرسم المعدن داخل المواد اللينة

عالجت الفرق البحثية هذا التحدي بتشكيل المعدن السائل أولًا إلى جسيمات مجهرية ثم ترتيب تلك الجسيمات في أنماط دقيقة على رقاقة سيليكون صلبة باستخدام الفوتوليثوغرافي القياسي — نفس عائلة التقنيات المستخدمة لصنع رقائق الحواسيب. قاموا بتحسين حبر وعملية نحت بحيث يمكن رسم خطوط الجسيمات بعرض يصل إلى عدة ميكرومترات عبر كامل الرقاقة مع الحفاظ على شبكة موصلة بدرجة عالية. بعد النقش، يطوون الرقاقة بطبقة بوليمر سائل تتخلل الفراغات بين الجسيمات ويُصلَّب إلى فيلم صلب، مما يُثبت الجسيمات في مكانها دون إزالتها بعد من الدعامة الصلبة.

التجميد للانفصال، والتسخين للتمدد

الابتكار الرئيسي هو ما يحدث بعد ذلك: خطوة نقل كريوجينية تُجرى عند درجة حرارة النيتروجين السائل. عندما يُبرَّد الكائن بأكمله بسرعة، تنكمش الطبقة البلاستيكية اللينة وتتماسك، بينما تتجمد جسيمات المعدن السائل وتتمدد قليلاً. تقوّي هذه التغيرات المشتركة الارتباط بين الجسيمات والبلاستيك المحيط، لكنها تُضعف تمسُّكها بالسيليكون الأساسي. تُظهر المحاكاة واختبارات الالتصاق أنه عند هذه الدرجة المنخفضة من الحرارة يصبح من الأفضل طاقيًا أن تفضّل شبكة الجسيمات البوليمر بدل السيليكون. ونتيجة لذلك، يمكن قشر الفيلم المزخرف نظيفًا، مع بقاء القليل جدًا من بقايا على الرقاقة ونقل الشبكة بالكامل إلى الركيزة المرنة في قطعة واحدة.

دوائر لينة تستمر في العمل تحت الإجهاد

بعد النقل، يصبح المـَركب شبكة من جسيمات المعدن السائل المدمجة في البوليمر، أو ما يُسمى LNEP. عند الشدّ، تتصدع القشور الرقيقة والهشة من أكسيد حول الجسيمات المجاورة وتسمح لجوهر المعدن أن يندمج، مكونًا مسارات أكثر استمرارية بدلاً من التفتت. هذا السلوك غير البديهي يحسّن فعليًا التوصيل الكهربائي خلال شد «تفعيل» أولي، ليصل إلى نحو نصف توصيل المعدن السائل الكتلي. بعد التفعيل، يتغير مقاومة هذه المسارات اللينة بشكل طفيف حتى عند مضاعفة طولها أو لفها عدة مرات أو ضغطها تكراريًا. والأهم أن هذا الأداء المتين يظهر عبر مجموعة من البوليمرات — من الإلاستومرات الشبيهة بالجلد إلى البلاستيك الصلب وحتى الهلاميات المائية اللينة — مما يبيّن أن الطريقة متوافقة على نطاق واسع وليست مصممة لمادة متخصصة واحدة فقط.

من رقع قابلة للارتداء إلى زرعات ذكية

لأن العملية تبدأ على رقاقة، يستطيع الباحثون بناء تخطيطات معقدة من الوصلات ثم نقلها إلى المادة اللينة الأنسب لمهمة معينة. يعرضون مصفوفات حساسية لمساحة واسعة تتناسب مع ظهر اليد وتستطيع تمييز أجسام مختلفة عبر التعلم الآلي. كما يبنون رقعًا متعددة الوظائف على الجلد تقرأ إشارات القلب والعضلات وتكتشف الجلوكوز باستخدام التحليل الكهروكيميائي، وكلها مرتبطة بأسلاك LNEP القابلة للتمدد. من خلال تضمين رقائق دقيقة صلبة داخل البوليمر ونقلها مع الأسلاك المعدنية السائلة في خطوة واحدة، يخلقون حتى دوائر عصبية مرنة تستمر في إطلاق النبضات ومعالجة معلومات اللمس أثناء التمدد. أخيرًا، باستخدام هلاميات مائية مطابقة في ليونتها للأنسجة، يبرهنون أجهزة تستطيع تحفيز عصب فأر وتسجيل نشاط العضلات، مما يشير إلى زرعات مستقبلية تتواصل بسلاسة مع الجسم.

ماذا يعني هذا لمستقبل الإلكترونيات اللينة

بعبارات يومية، تقدم هذه العمل وصفة تصنيع لـ«أعصاب» إلكترونية يمكن رسمها بدقة رقاقة، ثم زرعها في أي مادة لينة أو مطاطية تقريبًا دون فقدان أدائها المعدني. من خلال الاستفادة من سلوك المواد أثناء التجميد وإعادة التسخين، يحل المؤلفون مشاكل دامية متعلقة بالالتصاق والتسريب وقيود الركيزة التي أعاقت دوائر المعادن السائلة. قد تؤسس طريقة النقل الكريوجينية العالمية هذه لجيل جديد من أجهزة مراقبة الصحة المرنة والروبوتات اللينة والأجهزة القابلة للزرع التي تتحرك بطبيعية تامة مثل الجلد والأنسجة التي صممت لخدمتها.

الاستشهاد: Lee, D.H., Lee, S., Park, M. et al. Universal cryogenic transfer of liquid metal particles in polymers for wafer-scale stretchable integrated electronics. Nat Commun 17, 3248 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70101-2

الكلمات المفتاحية: الإلكترونيات القابلة للتمدد, المعدن السائل, أجهزة قابلة للارتداء, الروبوتات اللينة, الأجهزة القابلة للزرع