(PhysOrg.com) -- Regardez la pointe de ce vieux crayon dans le tiroir de votre bureau, et ce que vous verrez, ce sont des couches de graphite épaisses de milliers d'atomes. Utilisez le crayon pour tracer une ligne sur une feuille de papier, et la marque que vous verrez sur la page est composée de centaines de couches d'un atome.

Mais lorsque les scientifiques ont trouvé un moyen - en utilisant, essentiellement, un morceau de ruban adhésif ordinaire pour décoller une couche de graphite qui n'avait qu'un seul atome d'épaisseur, ils ont appelé le graphène matériel bidimensionnel et, en 2010, a remporté le prix Nobel de physique pour cette découverte.

Maintenant, des chercheurs de l'Université du Delaware ont mené une modélisation informatique de haute performance pour étudier une nouvelle approche de séquençage ultrarapide de l'ADN basée sur de minuscules trous, appelés nanopores, percé dans une feuille de graphène.

"Le graphène est une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone disposés en nid d'abeilles" Branislav Nikolic, professeur agrégé de physique et d'astronomie, mentionné. "La stabilité mécanique du graphène permet d'utiliser un faisceau d'électrons pour sculpter un nanopore dans une feuille de graphène suspendue, comme l'a démontré en 2008 Marija Drndić à l'Université de Pennsylvanie.

Le graphène a été l'un des domaines d'étude à la croissance la plus rapide en nanoscience et technologie au cours des cinq dernières années, dit Nikolic. Il l'appelle un matériau merveilleux qui a une mécanique remarquable, propriétés électroniques et optiques et est à l'étude pour une variété d'applications aussi diverses que les emballages en plastique et les transistors gigahertz de nouvelle génération.

Dans le séquençage que lui et d'autres physiciens ont proposé, un petit trou de quelques nanomètres de diamètre est percé dans une feuille de graphène et l'ADN est enfilé à travers ce nanopore. Puis, un courant d'ions circulant verticalement à travers le pore ou un courant électronique circulant transversalement à travers le graphène est utilisé pour détecter la présence de différentes bases d'ADN dans le nanopore.

« Comme le graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, le nanopore à travers lequel l'ADN est enfilé n'est en contact qu'avec une seule base d'ADN, ", a déclaré Nikolic.

En 2010, trois équipes expérimentales dirigées par Jene Golovchenko de Harvard, Cees Dekker de Delft et Drndić a démontré la détection d'ADN à l'aide de nanopores dans du graphène de grande surface. Cependant, Nikolic a dit, le processus s'est déplacé trop rapidement pour que l'électronique existante puisse détecter des bases d'ADN uniques.

Le nouveau concept de dispositif proposé par les chercheurs de l'UD utilise des nanorubans de graphène - de fines bandes de graphène de moins de 10 nanomètres de large - avec un nanopore percé à l'intérieur. Chimistes, ingénieurs, les scientifiques et les physiciens des matériaux ont mis au point diverses méthodes au cours des trois dernières années pour fabriquer des nanorubans avec un motif en zigzag spécifique d'atomes de carbone le long de leurs bords, dit Nikolic. Les nanorubans pourraient permettre des opérations rapides et peu coûteuses (moins de 1 $, 000) séquençage de l'ADN, il a dit, en raison des courants électroniques générés par la mécanique quantique qui circulent le long de ces bords.

Un séquençage de l'ADN aussi rapide et peu coûteux pourrait inaugurer une ère de médecine personnalisée, dit Nikolic.

« Nous avons utilisé les connaissances acquises au cours de plusieurs années de recherche théorique et informatique sur le transport électronique dans le graphène pour augmenter l'amplitude du courant de détection dans notre biocapteur d'un millier à un million de fois par rapport à d'autres dispositifs récemment envisagés, " a déclaré Nikolic. " Il y a deux ans, les scientifiques m'auraient dit que notre appareil était impossible, mais il y a tellement de gens qui travaillent sur le graphène que plus rien n'est impossible.

"Chaque fois que les physiciens pensent que quelque chose est impossible, les scientifiques des matériaux ou les chimistes viennent à la rescousse, et vice versa."

Nikolic a déclaré que lui et le chercheur postdoctoral Kamal Saha ont utilisé leurs codes de calcul massivement parallèles pour simuler le fonctionnement du biocapteur nanoélectronique proposé à partir des premiers principes, en utilisant le supercalculateur Chimera que UD a acquis avec le soutien d'une subvention de la National Science Foundation.

"Ce projet doit s'exécuter sur 500-1, 000 processeurs pendant plusieurs mois en continu, ", a-t-il déclaré. "Nous n'aurions pas pu le faire sans que UD Chimera devienne pleinement opérationnel au début de 2011."

Nikolic, Saha et Drndić ont récemment publié les résultats de cette recherche dans un article du prestigieux Lettres nano , un journal avec un facteur d'impact de 12,219 publié par l'American Chemical Society. Collègues, dirigé par Drndić à l'Université de Pennsylvanie, vont maintenant chercher à fabriquer les biocapteurs dans leur laboratoire, guidés par les simulations présentées dans l'article. Nikolic a déclaré que cette synergie de recherche, à son tour, permettre des simulations de conceptions d'appareils améliorées.