Laserinducerad selektiv metallisering av ledande mönster på silikon via beläggning av kopparkarbonathydroxid

Elastiska ledningar för nästa generations bärbara prylar

Från smartklockor till medicinska plåster behöver många nya prylar mjuk, hudvänlig ledningsdragning som kan böjas och töjas utan att gå av. Men att göra metallkretsar på mjuka material som silikon är förvånansvärt svårt: metallen fäster ofta dåligt, kan spricka vid töjning och kräver ofta hög värme eller giftiga kemikalier vid tillverkning. Denna artikel presenterar ett skonsamt, rumstempererat sätt att ”rita” kopparledningar direkt på ett vanligt mjukt silikonrubber, vilket öppnar dörren för mer pålitlig och bekväm bärbar och implanterbar elektronik.

Varför det är svårt att bygga mjuk elektronik

Bärbara enheter och flexibla sensorer måste följa kroppen, vridas kring leder och tåla tusentals töjningar samtidigt som de fortfarande förmedlar rena elektriska signaler. Silikonrubber såsom Ecoflex är idealiska för detta eftersom de är extremt mjuka, töjbara och biokompatibla. Deras mycket låga ytspänning gör det dock svårt för metallfilmer eller ledande bläck att våta och fästa vid ytan. Befintliga metoder—som utskrift av metallnanopartikelbläck eller inneslutning av flytande metaller—kräver ofta hög temperatur för sintring, komplicerade ytbehandlingar eller material som kan oxidera, lossna eller irritera huden. Fältet har saknat en enkel, lågtoxisk metod för att mönstra robusta metallledningar på rent silikon utan att göra det till ett styvt, skadat kompositmaterial.

En laserbaserad ”ritmetod” på mjukt silikon

Forskarna utvecklade en uppdaterad process kallad laserinducerad selektiv metallisering som fungerar direkt på härdad Ecoflex-silikon. Först sprayas ett tunt lager av ett grönt pulver—kopparkarbonathydroxid—milt på silikonytan. Sedan sveper en nära-infraröd laser endast längs de önskade kretsvägarna. Laserns energi värmer lokalt beläggningen och ytan av silikonen, ruggar upp ytan, skapar små kolrika domäner och omvandlar delvis kopparjoner till metalliska kopparnanopartiklar. Dessa nybildade kopparfrön sitter fast i den mikrotexturerade silikonen och fungerar som ankarpunkter för den metall som senare ska växa. Oanvänt pulver kan tvättas bort, samlas in och återanvändas, vilket minskar avfall och undviker permanent inlagring av partiklar i silikonen.

Att växa tåliga, låg‑resistiva kopparleder

Efter laserapplikationen, som definierar de ”aktiverade” banorna, doppas provet i ett kemiskt bad som avsätter ett tunt kopparskikt endast där frön finns. Detta elektrolösa pläteringssteg skapar en kontinuerlig men relativt skör metallfilm. För att stärka den lägger teamet till ett lågt‑temperatur elektropläteringssteg, som bygger upp kopparen till ungefär 30 mikrometer tjocklek. Mikroskopi och elementanalys visar hur den ursprungligen släta silikonytan blir ruggad och sedan gradvis täcks av ett allt tätare kopparskikt. Mekaniska tester visar att kopparspåren är stadigt låsta i silikonen, med ett avskiljningsstyrka som är mycket högre än hos många vanliga flexibla elektroder. Genom att utforma kopparbanorna i serpentiner uppnår forskarna töjbarhet upp till omkring 125 % töjning samtidigt som elektriska resistansförändringar hålls mycket små över hundratals töj‑släpp‑cykler.

Från hjärtsignaler till flexibla antenner

För att visa att processen är praktisk byggde teamet flera demonstrationsanordningar. De mönstrade kopparledningar på genomskinlig Ecoflex för att skapa ett mjukt elektrokardiogram (EKG)-plåster som fäster bekvämt mot huden utan extra tejp. När ett testperson bar plåstret fångade det tydliga hjärtsignaler i 30 minuter, både i vila och vid lätt rörelse, med väl definierade vågor som krävs för klinisk tolkning. De tillverkade också en töjbar krets som driver en matris av blå lysdioder som fortsatte att lysa medan silikonen böjdes och töjdes, samt en flexibel trådlös laddningsantenn som kunde lindas runt en cylinder samtidigt som den fortfarande överförde effekt. Dessa exempel tyder på att metoden kan stödja verklig användning i bärbar hälsomonitorering, mjuk belysning och kommunikationshårdvara.

Vad detta betyder för vardagsteknik

Enkelt uttryckt visar detta arbete hur man kan ”skriva ut” tålig kopparledning på mycket mjukt silikon med bara ett återvinningsbart pulver, en svepande laser och måttliga kemiska bad—inga masker, ingen hög värme och inga dyra eller starkt giftiga metaller. De resulterande kretsarna kombinerar god elektrisk prestanda, stark vidhäftning och hög töjbarhet, alla viktiga för bekväma enheter som bärs på eller inuti kroppen. Med ytterligare förbättringar för att skydda koppar mot långtidsoxidation och för att anpassa metoden till andra plaster kan denna strategi bidra till att framtida bärbara enheter blir tunnare, mjukare och mer pålitliga, och föra medicinsk‑klassad avkänning och trådlösa funktioner närmare vardagskläder och hudlika plåster.

Citering: 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

Nyckelord: flexibla elektronik, stretchbara elektroder, laserbearbetning, kopparplätering, bärbara sensorer