Les progrès de la technologie des micropuces permettront peut-être un jour aux cliniciens d'effectuer des tests pour des centaines de maladies - en tamisant des molécules spécifiques, telles que les cellules cancéreuses à un stade précoce - à partir d'une seule goutte de sang. Mais fabriquer de tels modèles de "laboratoire sur puce" - minuscules, des réseaux de capteurs diagonistes intégrés sur des surfaces aussi petites qu'un centimètre carré - est un défi technique, exploit chronophage et coûteux.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont mis au point un technique précise et reproductible qui réduit le temps et le coût de fabrication de tels capteurs. Nicolas Croc, professeur agrégé de génie mécanique, a développé une technique de gravure qui grave minuscule, des motifs de taille nanométrique sur des surfaces métalliques à l'aide d'un petit timbre activé par tension en verre. Fang dit les gravures, fait de petits points plus petits qu'un centième de la largeur d'un cheveu humain, agissent comme des antennes optiques capables d'identifier une seule molécule en captant sa longueur d'onde spécifique.

« Si vous êtes capable de créer une antenne optique avec des dimensions précises ... vous pouvez les utiliser pour signaler le trafic à l'échelle moléculaire, », dit Fang.

Les chercheurs ont rapporté le nouveau processus de fabrication dans l'édition en ligne du 21 septembre du journal Nanotechnologie .

Obstacles au marché

La nouvelle approche du tampon en verre peut aider les chercheurs à surmonter un obstacle important dans la fabrication de laboratoires sur puce :à savoir, Augmenter. Aujourd'hui, les scientifiques fabriquent des nano-capteurs par lithographie par faisceau d'électrons, une technique coûteuse et longue qui utilise un faisceau focalisé d'électrons pour graver lentement des motifs sur des surfaces métalliques. Le processus, tout en étant extrêmement précis, est également extrêmement coûteux :Fang dit qu'il est courant que les établissements louent un tel équipement pour 200 $ l'heure. La fabrication d'un motif de six millimètres carrés prend généralement une demi-journée. Par conséquent, si des capteurs fabriqués à l'aide de la lithographie par faisceau d'électrons étaient lancés sur le marché commercial, Fang estime qu'ils coûteraient plus de 600 $ chacun.

"Personne ne veut des chips aussi chères, », dit Fang. « Les tests de biologie recherchent quelque chose de bon marché mais fiable. Et cela exclut certains des amateurs, technologies plus chères.

Cela peut également exclure certaines technologies moins chères en cours de développement aujourd'hui. Par exemple, la lithographie par nanoimpression est une méthode simple, processus à faible coût où un polymère moulable est pressé sur un modèle de circuit principal. Lorsqu'il est exposé à la lumière UV, le polymère durcit; une fois décollé du circuit maître, il forme un moule qui peut être rempli d'un substrat métallique pour faire une copie du modèle de circuit original. Les scientifiques nettoient généralement le moule en polymère pour isoler le nouveau motif métallique.

Cependant, Fang dit que cette approche, tout en étant bon marché, peut aussi être imprécis. Le matériau polymère souple peut ne pas s'adapter exactement au motif d'origine, résultant en un moule avec des bosses, bosses et autres imperfections - et des copies qui ne sont pas exactement les mêmes que l'original. Étant donné que le processus nécessite le lavage du moule en polymère, les scientifiques doivent utiliser plus de matériau polymère pour fabriquer plus de copies.

Une inspiration de soufflage de verre

Fang et ses collègues ont proposé une technique qui peut résoudre le coût, problèmes de précision et de reproductibilité des autres technologies. L'équipe a adopté une approche similaire à la lithographie par nanoimpression. Mais au lieu de polymère, les chercheurs ont utilisé le verre comme matériau de moulage.

« Je me suis inspiré des souffleurs de verre, qui utilisent réellement leurs compétences pour former des bouteilles et des béchers, », dit Fang. « Même si nous pensons que le verre est fragile, au stade fondu, il est en fait très malléable et doux, et peut prendre rapidement et en douceur la forme d'un moule en plâtre. C'est à grande échelle, mais étonnamment, cela fonctionne aussi très bien à petite échelle, à très grande vitesse.

Avec ça en tête, Fang et son équipe ont cherché un matériau vitreux qui répondrait à leurs exigences, et a trouvé un candidat idéal dans une forme de verre superionique - verre composé en partie d'ions, qui peut être activé électrochimiquement lorsqu'il est pompé avec une tension.

Les chercheurs ont rempli une petite seringue de particules de verre et ont chauffé l'aiguille pour faire fondre le verre à l'intérieur. Ils ont ensuite pressé le verre en fusion sur un modèle maître, formant un moule qui durcit en refroidissant. L'équipe a ensuite pressé le moule en verre sur un substrat plat en argent, et appliqué un petit, Potentiel électrique de 90 millivolts au-dessus de la couche d'argent. La tension a stimulé les ions dans les deux surfaces, et a déclenché le moule de verre pour graver essentiellement dans le substrat métallique.

Le groupe a pu produire des motifs de petits points, 30 nanomètres de large, dans des motifs de triangles, rectangles et, ludique, une colonne ionique, à une résolution plus précise que la lithographie par nanoimpression.

« Vous vous retrouvez avec une meilleure coupe, », dit Fang. « Et nous avons un tampon qui peut être réutilisé plusieurs fois. »

Afin d'avoir un impact réel sur la fabrication de capteurs à grande échelle, le groupe devra prouver que le timbre peut être réutilisé à plusieurs, à plusieurs reprises, selon S.V. Sreenivasan, professeur de génie mécanique à l'Université du Texas à Austin.

« Il a le potentiel d'être considérablement moins coûteux pour modeler des métaux tels que l'argent, ", dit Sreenivasan. « Cependant, un procédé à haut débit avec une longue durée de vie du tampon doit encore être démontré. Une autre contribution précieuse pourrait être de se concentrer sur la récupération de l'argent qui est retiré lors de la structuration du métal, car cela permettrait de répondre davantage aux applications sensibles aux coûts. »

Fang reconnaît qu'il existe encore des obstacles de coût à ce processus de gravure sur verre :il nécessite toujours l'utilisation d'un modèle métallique maître, réalisé par lithographie coûteuse. Cependant, il fait remarquer qu'un seul modèle maître, et un tampon en verre, est nécessaire pour produire en série une ligne entière du même capteur, ce qui peut rapprocher la production à grande échelle de la réalité.

« Avec ce timbre, Je peux reproduire peut-être des dizaines de centaines de ces capteurs, et chacun d'eux sera presque identique, », dit Fang. « C’est donc une avancée fascinante pour nous, et nous permet d'imprimer des antennes plus efficaces."