Dans des travaux qui pourraient un jour conduire au développement de nouveaux types de dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique, une équipe interdisciplinaire de chercheurs du California Institute of Technology a combiné le talent de l'ADN pour l'auto-assemblage avec les propriétés électroniques remarquables des nanotubes de carbone, suggérant ainsi une solution au problème de longue date de l'organisation des nanotubes de carbone en circuits électroniques à l'échelle nanométrique.

Un article sur le travail est paru le 8 novembre dans la première édition en ligne de Nature Nanotechnologie .

« Ce projet est l'un de ces grands « Où d'autre qu'à Caltech ? » histoires, " dit Erik Winfree, professeur agrégé d'informatique, calcul et systèmes neuronaux, et bio-ingénierie à Caltech, et l'un des quatre membres du corps professoral supervisant le projet.

L'idée initiale du projet et sa réalisation éventuelle sont venues de trois étudiants :Hareem T. Maune, un étudiant diplômé étudiant la physique des nanotubes de carbone dans le laboratoire de Marc Bockrath (alors professeur assistant Caltech de physique appliquée, maintenant à l'Université de Californie, Bord de rivière); Si-ping Han, un théoricien en science des matériaux qui étudie les interactions entre les nanotubes de carbone et l'ADN dans le laboratoire Caltech de William A. Goddard III, Charles et Mary Ferkel professeur de chimie, La science des matériaux, et physique appliquée; et Robert D. Barish, un étudiant de premier cycle spécialisé en informatique qui travaillait sur l'auto-assemblage complexe d'ADN dans le laboratoire de Winfree.

Le projet a débuté en 2005, peu de temps après que Paul W. K. Rothemund ait inventé sa technique révolutionnaire d'origami ADN. À l'époque, Rothemund était un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Winfree; aujourd'hui, il est associé de recherche principal en bio-ingénierie, l'informatique, et le calcul et les systèmes neuronaux.

Le travail de Rothemund a donné à Maune, Han, et Barish l'idée d'utiliser l'origami d'ADN pour construire des circuits de nanotubes de carbone.

L'origami d'ADN est un type de structure auto-assemblée faite d'ADN qui peut être programmée pour former des formes et des motifs presque illimités, comme des smileys ou des cartes de l'hémisphère occidental ou encore des schémas électriques. Exploiter les propriétés de reconnaissance de séquence de l'appariement des bases d'ADN, Les origami d'ADN sont créés à partir d'un long brin unique d'ADN viral et d'un mélange de différents brins d'ADN synthétiques courts qui se lient à et « agrafent » l'ADN viral dans la forme souhaitée, typiquement environ 100 nanomètres (nm) de côté.

Les nanotubes de carbone à simple paroi sont des tubes moléculaires composés d'un maillage hexagonal enroulé d'atomes de carbone. Avec des diamètres inférieurs à 2 nm et pourtant des longueurs de plusieurs microns, ils ont la réputation d'être parmi les plus forts, le plus conducteur de chaleur, et les matériaux les plus intéressants sur le plan électronique qui sont connus. Pendant des années, les chercheurs ont essayé d'exploiter leurs propriétés uniques dans des dispositifs à l'échelle nanométrique, mais les organiser précisément en motifs géométriques souhaitables a été une pierre d'achoppement majeure.

« Après avoir entendu le discours de Paul, Hareem s'est enthousiasmé à l'idée de mettre des nanotubes sur l'origami, " se souvient Winfree. " Pendant ce temps, Rob avait parlé à son ami Si-Ping, et ils étaient indépendamment devenus excités par la même idée."

L'enthousiasme des étudiants était sous-jacent à l'espoir que l'origami d'ADN puisse être utilisé comme des maquettes moléculaires de 100 nm sur 100 nm - des bases de construction pour le prototypage de circuits électroniques - sur lesquels les chercheurs pourraient construire des dispositifs sophistiqués simplement en concevant les séquences dans l'origami de sorte que des nanotubes spécifiques attacher dans des positions préassignées.

« Avant de parler avec ces étudiants, " Winfree continue, « Je n'avais aucun intérêt à travailler avec des nanotubes de carbone ou à appliquer l'expertise de notre laboratoire en ingénierie de l'ADN à de telles fins pratiques. Mais, apparemment sorti de nulle part, une équipe s'était auto-constituée avec un éventail de compétences remarquable et beaucoup d'enthousiasme. Même Si-Ping, un théoricien accompli, est allé dans le laboratoire pour aider à faire de l'idée une réalité."

"Ce projet de recherche collaborative est la preuve de la façon dont nous, à Caltech, sélectionnons les meilleurs étudiants en sciences et en ingénierie et les plaçons dans un environnement où leur créativité et leur imagination peuvent s'épanouir, " dit Arès Rosakis, président de la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées à Caltech et Theodore von Kármán professeur d'aéronautique et professeur de génie mécanique.

Concrétiser les idées des élèves n'a pas été facile. "La chimie des nanotubes de carbone est notoirement difficile et désordonnée - les choses sont entièrement en carbone, après tout, il est donc extrêmement difficile de faire réagir un atome de carbone choisi et pas du tout les autres, ", explique Winfree.

"Cette difficulté à saisir chimiquement un nanotube à une "poignée" bien définie est l'essence du problème lorsque vous essayez de placer des nanotubes où vous le souhaitez afin de pouvoir construire des dispositifs et des circuits complexes, " il dit.

La solution ingénieuse des scientifiques consistait à exploiter le caractère collant de l'ADN simple brin pour créer ces poignées manquantes. C'est cette viscosité qui unit les deux brins qui composent une hélice d'ADN, par l'appariement des bases nucléotidiques de l'ADN (A, T, C, et G) avec ceux qui ont des séquences complémentaires (A avec T, C avec G).

"L'ADN est la molécule parfaite pour reconnaître d'autres brins d'ADN, et l'ADN simple brin aime aussi coller aux nanotubes de carbone, " dit Han. " Nous mélangeons donc des nanotubes nus avec des molécules d'ADN dans de l'eau salée, et ils collent sur toute la surface des nanotubes. Cependant, nous nous assurons qu'une petite partie de chaque molécule d'ADN est protégée, pour que cette petite portion ne colle pas au nanotube, et nous pouvons l'utiliser pour reconnaître l'ADN attaché à l'origami d'ADN à la place."

Les scientifiques ont créé deux lots de nanotubes de carbone marqués par l'ADN avec des séquences différentes, qu'ils appelaient « rouge » et « bleu ».

"Métaphoriquement, nous avons plongé un lot de nanotubes dans de la peinture à l'ADN rouge, et plongé un autre lot de nanotubes dans de la peinture bleue à l'ADN, " dit Winfree. Remarquablement, cette peinture ADN agit comme un velcro spécifique à la couleur.

"Ces molécules d'ADN ont servi de poignées car une paire de molécules d'ADN simple brin avec des séquences complémentaires s'enroulera l'une autour de l'autre pour former une double hélice. Ainsi, " il dit, "le rouge peut se lier fortement à l'anti-rouge, et bleu avec anti-bleu."

"Par conséquent, " il ajoute, "si on dessine une bande d'ADN anti-rouge sur une surface, et versez dessus les nanotubes enrobés de rouge, les nanotubes vont coller sur la ligne. Mais les nanotubes à revêtement bleu ne collent pas, car ils ne s'en tiennent qu'à une ligne anti-bleue."

Pour fabriquer des circuits électroniques à l'échelle nanométrique à partir de nanotubes de carbone, il faut être capable de dessiner des bandes d'ADN à l'échelle nanométrique. Précédemment, cela aurait été une tâche impossible. L'invention par Rothemund de l'origami ADN, cependant, l'a rendu possible.

"Un origami ADN standard est un rectangle d'environ 100 nm de taille, avec plus de 200 positions de « pixels » où des brins d'ADN arbitraires peuvent être attachés, " dit Winfree. Pour intégrer les nanotubes de carbone dans ce système, les scientifiques ont coloré certains de ces pixels en anti-rouge, et d'autres anti-bleu, marquant efficacement les positions où ils voulaient que les nanotubes de couleur assortie collent. Ils ont ensuite conçu l'origami de sorte que les nanotubes marqués en rouge se croisent perpendiculairement aux nanotubes bleus, faire ce qu'on appelle un transistor à effet de champ (FET), l'un des dispositifs les plus élémentaires pour la construction de circuits à semi-conducteurs.

Bien que leur processus soit conceptuellement simple, les chercheurs ont dû résoudre de nombreux problèmes, telles que la séparation des faisceaux de nanotubes de carbone en molécules individuelles et la fixation de l'ADN simple brin; trouver la bonne protection pour ces brins d'ADN afin qu'ils restent capables de reconnaître leurs partenaires sur l'origami ; et trouver les bonnes conditions chimiques pour l'auto-assemblage.

Après environ un an, l'équipe avait réussi à placer des nanotubes croisés sur l'origami; ils ont pu voir le croisement par microscopie à force atomique. Ces systèmes ont été retirés de la solution et placés sur une surface, après quoi des fils ont été attachés pour mesurer les propriétés électriques de l'appareil. Lorsque le simple appareil de l'équipe a été connecté à des électrodes, il se comportait en effet comme un transistor à effet de champ. L'"effet de champ" est utile car "les deux composants du transistor, le canal et la porte, pas besoin de toucher pour qu'il y ait un effet de commutation, " explique Rothemund. " Un nanotube de carbone peut changer la conductivité de l'autre en raison uniquement du champ électrique qui se forme lorsqu'une tension lui est appliquée. "

À ce point, les chercheurs étaient convaincus qu'ils avaient créé une méthode qui pourrait construire un appareil à partir d'un mélange de nanotubes et d'origami.

"Ça a marché, " dit Winfree. "Je ne peux pas dire parfaitement, il y a beaucoup de place pour l'amélioration. Mais il suffisait de démontrer la construction maîtrisée d'un appareil simple, une jonction croisée d'une paire de nanotubes de carbone."

"Nous nous attendons à ce que notre approche puisse être améliorée et étendue pour construire de manière fiable des circuits plus complexes impliquant des nanotubes de carbone et peut-être d'autres éléments, notamment des électrodes et du câblage, " Goddard dit, "qui, nous prévoyons, fournira de nouvelles façons de sonder le comportement et les propriétés de ces molécules remarquables."

Le réel avantage de l'approche, fait-il remarquer, est que l'auto-assemblage ne fait pas qu'un seul appareil à la fois. « C'est une technologie évolutive. on peut concevoir l'origami pour construire des unités logiques complexes et le faire pour des milliers ou des millions ou des milliards d'unités qui s'auto-assemblent en parallèle."

Plus d'information: "Auto-assemblage de nanotubes de carbone dans des géométries bidimensionnelles à l'aide de modèles d'origami d'ADN, " Nature Nanotechnologie .

Source :California Institute of Technology (actualité :web)