Laser-geïnduceerde selectieve metallisatie van geleidende patronen op silicone via kopercarbonathydroxide-coating

Rekbare draden voor de volgende generatie draagbare apparaten

Van smartwatches tot medische pleisters: veel nieuwe apparaten hebben zachte, huidvriendelijke bedrading nodig die kan buigen en rekken zonder te breken. Het aanbrengen van metalen schakelingen op zachte materialen zoals silicone blijkt echter verrassend lastig: het metaal hecht vaak slecht, kan barsten bij rekken en vereist vaak hoge temperaturen of giftige chemicaliën bij de fabricage. Dit artikel introduceert een zachte, kamertemperatuurmethode om koperdraad rechtstreeks op een veelgebruikt zacht siliconenrubber te “tekenen”, wat de weg opent naar betrouwbaardere en comfortabelere draagbare en implanteerbare elektronica.

Waarom zachte elektronica moeilijk te bouwen is

Draagbare apparaten en flexibele sensoren moeten het lichaam omarmen, met gewrichten meedraaien en duizenden rekbewegingen overleven terwijl ze nog steeds zuivere elektrische signalen vervoeren. Siliconenrubbers zoals Ecoflex zijn hiervoor ideaal omdat ze extreem zacht, rekbaar en biocompatibel zijn. Hun zeer lage oppervlaktenspanning maakt het echter moeilijk voor metallagen of geleidende inkten om te bevochtigen en te hechten. Bestaande benaderingen, zoals het printen van metaalkolloïden of het inbedden van vloeibare metalen, vereisen vaak hoge temperatuur-sintering, ingewikkelde oppervlakbehandelingen of materialen die kunnen oxideren, loslaten of de huid irriteren. Het ontbrak aan een eenvoudige, laag-toxische methode om robuuste metalen bedrading op puur silicone te patrooniseren zonder het materiaal stijf of beschadigd te maken.

Een laser-“teken”methode op zacht silicone

De onderzoekers ontwikkelden een geüpdatet proces dat laser-geïnduceerde selectieve metallisatie wordt genoemd en dat direct op uitgehard Ecoflex-silicone werkt. Eerst sprayen ze voorzichtig een dunne laag van een groen poeder — kopercarbonathydroxide — op het oppervlak van de silicone. Vervolgens scant een nabij-infrarode laser alleen langs de gewenste circuits. De laserenergie verwarmt lokaal de coating en de bovenzijde van de silicone, ruwmaakt het oppervlak, creëert kleine carbonrijke domeinen en zet gedeeltelijk koperionen om in metalen koper-nanodeeltjes. Deze nieuwgevormde kopernucleï spelen zich vast in de micro-gestructureerde silicone en fungeren als ankers voor het later te laten groeien metaal. Niet-gebruikte poeder kan worden afgewassen, verzameld en hergebruikt, waardoor afval wordt verminderd en permanente lading van deeltjes in de silicone wordt vermeden.

Het laten groeien van sterke, lage-weerstand koperpaden

Nadat de laserverwerking de “geactiveerde” paden definieert, wordt het monster in een chemisch bad gedoopt dat een dunne koperen laag afgeeft alleen daar waar zaden aanwezig zijn. Deze electroless-platering creëert een doorlopende maar relatief fragiele metallag. Om die te versterken, voegt het team een laag-temperatuur elektroplateringsstap toe, waarmee het koper wordt opgebouwd tot ongeveer 30 micrometer dikte. Microscopen en elementanalyse tonen hoe het aanvankelijk gladde silicone ruw wordt en vervolgens geleidelijk wordt bedekt met een steeds dichtere koperlaag. Mechanische tests laten zien dat de kopersporen stevig in de silicone verankerd zitten, met een afschuifsterkte die veel hoger is dan bij veel voorkomende flexibele elektroden. Door het koper in serpentijnvormige patronen te ontwerpen, bereiken de onderzoekers een rekbaarheid tot ongeveer 125% uitrekking terwijl de verandering in elektrische weerstand over honderden rek-terugsluitcycli zeer klein blijft.

Van hartsignalen tot flexibele antennes

Om aan te tonen dat het proces praktisch is, bouwde het team verschillende demonstratieapparaten. Ze patrooneerden kopersporen op transparant Ecoflex om een zachte elektrocardiogram (ECG)-pleister te maken die comfortabel op de huid kleeft zonder extra lijm. Draagbaar door een vrijwilliger ving de pleister heldere hartsignalen op gedurende 30 minuten, zowel in rust als bij lichte beweging, met goed gedefinieerde golven die nodig zijn voor klinische interpretatie. Ze vervaardigden ook een rekbare schakeling die een array blauwe LED’s voedde die bleven schijnen terwijl de silicone werd gebogen en gerekt, en een flexibele draadloze oplaadantenne die om een cilinder kon worden gewikkeld terwijl hij nog steeds vermogen doorgaf. Deze voorbeelden suggereren dat de methode real-world toepassingen kan ondersteunen in draagbare gezondheidsmonitors, zachte verlichting en communicatiehardware.

Wat dit betekent voor alledaagse technologie

In eenvoudige bewoordingen laat dit werk zien hoe je stevige koperen bedrading op zeer zacht silicone kunt “printen” met slechts een recyclebaar poeder, een scannende laser en bescheiden chemische baden — geen maskers, geen hoge temperaturen en geen dure of sterk toxische metalen. De resulterende schakelingen combineren goede elektrische prestaties, sterke hechting en hoge rekbaarheid, wat allemaal essentieel is voor comfortabele apparaten die op of in het lichaam worden gedragen. Met verdere verbeteringen om koper tegen langdurige oxidatie te beschermen en om de methode aan te passen aan andere kunststoffen, kan deze strategie helpen toekomstige wearables dunner, zachter en betrouwbaarder te maken, en medische-kwaliteit sensing en draadloze functies dichter bij alledaagse kleding en huidachtige pleisters brengen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: flexibele elektronica, rekbare elektroden, laserbewerking, koperplatering, draagbare sensoren