(PhysOrg.com) -- Les ingénieurs électriciens caressent depuis longtemps l'idée de concevoir des molécules biologiques pouvant être directement intégrées dans des circuits électroniques. Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont développé un moyen de former ces structures afin qu'elles puissent fonctionner dans des environnements en plein air, et, plus important, ont développé une nouvelle technique de microscope qui peut mesurer les propriétés électriques de ces dispositifs et d'autres appareils similaires.

La recherche a été menée par Dawn Bonnell, Trustee Chair Professeur et directeur du Nano/Bio Interface Center, les étudiants diplômés Kendra Kathan-Galipeau et Maxim Nikiforov et la stagiaire postdoctorale Sanjini Nanayakkara, tous du Département de science et d'ingénierie des matériaux de la Penn's School of Engineering and Applied Science. Ils ont collaboré avec le professeur adjoint Bohdana Discher du Département de biophysique et de biochimie de la Penn's Perelman School of Medicine et Paul A. O'Brien, un étudiant diplômé du programme de maîtrise en biotechnologie de Penn.

Leurs travaux ont été publiés dans la revue ACS Nano .

Le développement implique des protéines artificielles, faisceaux d'hélices peptidiques contenant une molécule photoactive. Ces protéines sont disposées sur des électrodes, qui sont une caractéristique commune des circuits qui transmettent des charges électriques entre des éléments métalliques et non métalliques. Lorsque la lumière est braquée sur les protéines, ils convertissent les photons en électrons et les transmettent à l'électrode.

« C'est un mécanisme similaire à ce qui se passe lorsque les plantes absorbent la lumière, sauf dans ce cas, l'électron est utilisé pour une certaine chimie qui crée de l'énergie pour la plante, », a déclaré Bonnell. « Dans ce cas, nous voulons utiliser l'électron dans les circuits électriques.

Des assemblages peptidiques similaires avaient été étudiés en solution auparavant par plusieurs groupes et avaient été testés pour montrer qu'ils réagissaient effectivement à la lumière. Mais il n'y avait aucun moyen de quantifier leurs propriétés électriques ambiantes, en particulier la capacité, la quantité de charge électrique que contient l'assemblage.

« Il est nécessaire de comprendre ce genre de propriétés dans les molécules afin d'en faire des appareils. Nous étudions le silicium depuis 40 ans, donc nous savons ce qui arrive aux électrons là-bas, », a déclaré Bonnell. « Nous ne savions pas ce qui arrivait aux électrons sur les électrodes sèches avec ces protéines ; nous ne savions même pas s'ils resteraient photoactifs lorsqu'ils étaient attachés à une électrode.

Concevoir des circuits et des dispositifs avec du silicium est intrinsèquement plus facile qu'avec des protéines. Les propriétés électriques d'une grande partie d'un seul élément peuvent être mesurées puis réduites, mais des molécules complexes comme ces protéines ne peuvent pas être mises à l'échelle. Les systèmes de diagnostic capables de mesurer leurs propriétés avec une sensibilité nanométrique n'existaient tout simplement pas.

Les chercheurs devaient donc inventer à la fois une nouvelle façon de mesurer ces propriétés et une façon contrôlée de fabriquer les protéines photovoltaïques qui ressembleraient à la façon dont elles pourraient éventuellement être incorporées dans des dispositifs en plein air, environnements quotidiens, plutôt que de nager dans une solution chimique.

Pour résoudre le premier problème, l'équipe a développé un nouveau type de technique de microscope à force atomique, connue sous le nom de microscopie à nanoimpédance à résonance de torsion. Les microscopes à force atomique fonctionnent en rapprochant une pointe de silicium extrêmement étroite d'une surface et en mesurant la réaction de la pointe, offrant une sensibilité spatiale de quelques nanomètres jusqu'aux atomes individuels.

« Ce que nous avons fait dans notre version, c'est d'utiliser une pointe métallique et d'y appliquer un champ électrique oscillant. En voyant comment les électrons réagissent au champ, nous sommes capables de mesurer des interactions plus complexes et des propriétés plus complexes, comme la capacité, », a déclaré Bonnell.

Le groupe de Bohdana Discher a conçu les protéines d'auto-assemblage comme ils l'avaient fait auparavant, mais a pris l'étape supplémentaire de les emboutir sur des feuilles d'électrodes en graphite. Ce principe de fabrication et la capacité de mesurer les dispositifs résultants pourraient avoir diverses applications.

« Le photovoltaïque - les cellules solaires - sont peut-être les plus faciles à imaginer, mais où ce travail va à plus court terme, ce sont les capteurs biochimiques, », a déclaré Bonnell.

Au lieu de réagir aux photons, les protéines pourraient être conçues pour produire une charge en présence de certaines toxines, soit en changeant de couleur, soit en agissant comme un élément de circuit dans un gadget à taille humaine.