Избирательная лазерная металлизация проводящих узоров на силиконe посредством покрытия карбоната гидроксида меди

Тянущиеся провода для следующего поколения носимых устройств

От смарт‑часов до медицинских пластырей — многим новым устройствам нужны мягкие, совместимые с кожей проводники, которые могут гнуться и растягиваться, не ломаясь. Но наносить металлические цепи на мягкие материалы вроде силикона оказывается удивительно сложно: металл обычно плохо удерживается, трескается при растяжении и часто требует высокой температуры или токсичных химикатов для изготовления. В этой статье предложен мягкий, комнатной температуры способ «рисовать» медные проводники прямо на популярной мягкой силиконовой резине, что открывает путь к более надёжной и комфортной носимой и имплантируемой электронике.

Почему сложно создавать мягкую электронику

Носимые устройства и гибкие сенсоры должны плотно прилегать к телу, сгибаться в суставах и выдерживать тысячи растяжений, при этом передавая стабильные электрические сигналы. Силиконовые резины, такие как Ecoflex, идеальны для такой задачи: они чрезвычайно мягкие, растяжимые и биосовместимые. Однако их очень низкая поверхностная энергия затрудняет смачивание и прилипание металлических плёнок или проводящих чернил. Существующие подходы — печать чернил с металлическими наночастицами или внедрение жидких металлов — часто требуют высокотемпературного спекания, сложной обработки поверхности или материалов, склонных к окислению, отслоению или раздражению кожи. В этой области не хватало простого, мало‑токсичного метода для нанесения прочных металлических проводников на чистый силикон без превращения его в жёсткий, повреждённый композит.

Метод «рисования» лазером на мягком силиконе

Исследователи разработали усовершенствованный процесс, называемый лазерно‑индуцированной избирательной металлизацией, который работает прямо на отверждённом силиконе Ecoflex. Сначала они бережно распыляют тонкий слой зелёного порошка — карбоната гидроксида меди — на поверхность силикона. Затем инфракрасный лазер сканирует только по желаемым трассам схемы. Энергия лазера локально нагревает покрытие и верхний слой силикона, делая поверхность шероховатой, создавая крошечные углеродсодержащие домены и частично переводя ионы меди в металлические медные наночастицы. Эти вновь образованные медные зародыши внедряются в микротекстурированный силикон, действуя якорями для последующего роста металла. Неиспользованный порошок можно смыть, собрать и повторно использовать, что сокращает отходы и избегает постоянного внедрения частиц в силикон.

Выращивание прочных, с низким сопротивлением медных дорожек

После лазерной обработки, задающей «активированные» пути, образец погружают в химическую ванну, которая осаждает тонкий слой меди только там, где присутствуют зародыши. Этот безэлектролитный этап создаёт непрерывную, но относительно хрупкую металлическую плёнку. Для её укрепления команда добавляет низкотемпературный этап электроосаждения, который наращивает медь до приблизительно 30 микрометров. Микроскопия и элементный анализ показывают, как первоначально гладкий силикон становится шероховатым и постепенно покрывается всё более плотным медным слоем. Механические испытания демонстрируют, что медные дорожки прочно заперты в силиконе, с силой отрыва намного выше, чем у многих распространённых гибких электродов. За счёт проектирования медных дорожек в виде серпантинных форм исследователи достигают растяжимости до ~125% при весьма малых изменениях сопротивления в течение сотен циклов растяжение‑сброс.

От сигналов сердца до гибких антенн

Чтобы продемонстрировать практичность процесса, команда собрала несколько демонстрационных устройств. Они нанесли медные дорожки на прозрачный Ecoflex, создав мягкий электрокардиографический (ЭКГ) пластырь, который комфортно прилегает к коже без дополнительных клеев. При ношении добровольцем пластырь за 30 минут снял чёткие сердечные сигналы как в покое, так и при лёгком движении, с отчётливыми волнами, необходимыми для клинической интерпретации. Они также изготовили растягивающуюся схему, питающую массив синих светодиодов, которые продолжали светиться при сгибании и растяжении силикона, а также гибкую антенну для беспроводной зарядки, способную обвивать цилиндр и при этом передавать мощность. Эти примеры показывают, что метод может поддерживать реальные применения в носимых мониторах здоровья, мягком освещении и коммуникационном оборудовании.

Что это означает для повседневных технологий

Проще говоря, работа показывает, как «напечатать» прочные медные проводники на очень мягком силиконе, используя только перерабатываемый порошок, сканирующий лазер и умеренные химические ванны — без масок, без высоких температур и без дорогих или сильно токсичных металлов. Получившиеся схемы сочетают хорошую электрическую работу, прочное крепление и высокую растяжимость — все ключевые свойства для комфортных устройств, которые носятся на теле или имплантируются. При дальнейшем усовершенствовании защиты меди от долгосрочного окисления и адаптации метода к другим пластикам эта стратегия может помочь сделать будущие носимые устройства тоньше, мягче и надежнее, приблизив медицинского уровня сенсоры и беспроводные функции к повседневной одежде и кожеподобным пластырям.

Цитирование: 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

Ключевые слова: гибкая электроника, эластичные электроды, лазерная обработка, меднение, носимые сенсоры