La structure unique de l'ADN est idéale pour transporter des informations génétiques, mais les scientifiques ont récemment trouvé des moyens d'exploiter cette molécule polyvalente à d'autres fins :en contrôlant les séquences d'ADN, ils peuvent manipuler la molécule pour former de nombreuses formes différentes à l'échelle nanométrique.

Les ingénieurs chimistes et moléculaires du MIT et de l'Université Harvard ont maintenant étendu cette approche en utilisant de l'ADN replié pour contrôler la nanostructure des matériaux inorganiques. Après avoir construit des nanostructures d'ADN de formes diverses, ils ont utilisé les molécules comme modèles pour créer des motifs à l'échelle nanométrique sur des feuilles de graphène. Cela pourrait être une étape importante vers la production à grande échelle de puces électroniques en graphène, une feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome aux propriétés électroniques uniques.

"Cela nous donne un outil chimique pour programmer des formes et des motifs à l'échelle nanométrique, former des circuits électroniques, par exemple, " dit Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT et auteur principal d'un article décrivant la technique dans le numéro du 9 avril de Communication Nature .

Peng Yin, professeur adjoint de biologie des systèmes à la Harvard Medical School et membre du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard, est également un auteur principal de l'article, et le postdoctorant du MIT, Zhong Jin, est l'auteur principal. Les autres auteurs sont les post-doctorants de Harvard Wei Sun et Yonggang Ke, Les étudiants diplômés du MIT Chih-Jen Shih et Geraldine Paulus, et les post-doctorants du MIT Qing Hua Wang et Bin Mu.

La plupart de ces nanostructures d'ADN sont fabriquées à l'aide d'une nouvelle approche développée dans le laboratoire de Yin. Des nanostructures d'ADN complexes avec des formes prescrites avec précision sont construites à l'aide de courts brins d'ADN synthétique appelés tuiles simple brin. Chacune de ces tuiles agit comme une brique jouet imbriquée et se lie avec quatre voisins désignés.

Grâce à ces tuiles monobrin, Le laboratoire de Yin a créé plus de 100 formes nanométriques distinctes, y compris l'alphabet complet des lettres majuscules anglaises et de nombreuses émoticônes. Ces structures sont conçues à l'aide de logiciels informatiques et peuvent être assemblées en une simple réaction. Alternativement, de telles structures peuvent être construites en utilisant une approche appelée ADN origami, dans lequel de nombreux brins courts d'ADN replient un long brin dans une forme souhaitée.

Cependant, L'ADN a tendance à se dégrader lorsqu'il est exposé au soleil ou à l'oxygène, et peut réagir avec d'autres molécules, il n'est donc pas idéal comme matériau de construction à long terme. "Nous aimerions exploiter les propriétés de nanomatériaux plus stables pour des applications structurelles ou électroniques, " dit Strano.

Au lieu, lui et ses collègues ont transféré les informations structurelles précises codées dans l'ADN au graphène plus robuste. Le processus chimique impliqué est assez simple, Strano dit :D'abord, l'ADN est ancré sur une surface de graphène à l'aide d'une molécule appelée aminopyrine, dont la structure est similaire au graphène. L'ADN est ensuite recouvert de petits amas d'argent le long de la surface, ce qui permet à une couche d'or ultérieure d'être déposée sur l'argent.

Une fois la molécule recouverte d'or, l'ADN métallisé stable peut être utilisé comme masque pour un processus appelé lithographie plasma. Plasma d'oxygène, un « flux gazeux » très réactif de molécules ionisées, est utilisé pour user tout graphène non protégé, laissant derrière lui une structure de graphène identique à la forme originale de l'ADN. L'ADN métallisé est ensuite lavé avec du cyanure de sodium.

Façonner des circuits de graphène

L'équipe de recherche a utilisé cette technique pour créer plusieurs types de formes, y compris les jonctions X et Y, ainsi que des bagues et des rubans. Ils ont constaté que bien que la plupart des informations structurelles soient préservées, certaines informations sont perdues lorsque l'ADN est recouvert de métal, la technique n'est donc pas encore aussi précise qu'une autre technique appelée lithographie électronique.

Cependant, lithographie e-beam, qui utilise des faisceaux d'électrons pour sculpter des formes en graphène, est cher et prend beaucoup de temps, il serait donc très difficile de le mettre à l'échelle pour produire en masse des composants électriques ou autres en graphène.

Une forme d'intérêt particulier pour les scientifiques est un ruban de graphène, qui est une bande très étroite de graphène qui confine les électrons du matériau, lui conférant de nouvelles propriétés. Le graphène n'a normalement pas de bande interdite, une propriété nécessaire à tout matériau pour agir comme un transistor typique. Cependant, les rubans de graphène ont une bande interdite, ils pourraient donc être utilisés comme composants de circuits électroniques.

"Il existe toujours un intérêt pour l'utilisation du graphène pour l'électronique numérique. Le graphène lui-même n'est pas idéal pour cela, mais si vous le modelez en rubans, c'est peut être possible, " dit Strano.

Les scientifiques s'intéressent également aux anneaux de graphène car ils peuvent être utilisés comme transistors d'interférence quantique, un nouveau type de transistor créé lorsque les électrons circulent autour d'un cercle. Ce type de comportement n'a été observé que récemment, et cette technique de fabrication pourrait permettre aux scientifiques de créer de nombreux anneaux afin d'étudier ce phénomène de manière plus approfondie.

A plus long terme, la stratégie de fabrication de nanostructures d'ADN pourrait aider les chercheurs à concevoir et à construire des circuits électroniques en graphène. Cela a été difficile jusqu'à présent car il est difficile de placer de minuscules structures en carbone, tels que les nanotubes et les nanofils, sur une feuille de graphène. Cependant, l'utilisation des masques d'ADN métallisés pour organiser des structures sur une feuille de graphène pourrait rendre le processus beaucoup plus facile.

La nouvelle approche est « conceptuellement nouvelle, " dit Robert Haddon, professeur de génie chimique et environnemental à l'Université de Californie à Riverside, qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche. « Le travail montre le potentiel des nanoarchitectures d'ADN métallisé auto-assemblées en tant que masques lithographiques pour la structuration à l'échelle d'une tranche d'éléments de circuits électroniques à base de graphène. Je pense que cette approche stimulera de nouvelles recherches sur l'application des techniques de nanostructuration dans la nanoélectronique à base de graphène. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.