L'équipe de l'Université du Minnesota a produit une puce électronique contenant un large éventail de pincettes électroniques en graphène. Les images de fluorescence montrent des molécules d'ADN et des nanoparticules de polystyrène piégées sur la puce. Crédit :Barik et al., Université du Minnesota
Des chercheurs du Collège des sciences et de l'ingénierie de l'Université du Minnesota ont découvert une autre utilisation remarquable du matériau merveilleux qu'est le graphène :de minuscules « pincettes » électroniques qui peuvent saisir des biomolécules flottant dans l'eau avec une efficacité incroyable. Cette capacité pourrait conduire à un système de diagnostic des maladies portable révolutionnaire qui pourrait être exécuté sur un téléphone intelligent.
Graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, a été découvert il y a plus de dix ans et a captivé les chercheurs avec sa gamme de propriétés étonnantes qui ont trouvé des utilisations dans de nombreuses nouvelles applications, de la microélectronique aux cellules solaires.
Les pinces à épiler en graphène développées à l'Université du Minnesota sont beaucoup plus efficaces pour piéger les particules que les autres techniques utilisées dans le passé, car le graphène a une épaisseur d'un seul atome, moins d'un milliardième de mètre.
L'étude de recherche a été publiée aujourd'hui dans Communication Nature , une revue de premier plan dans le domaine des nanomatériaux et des dispositifs.
La pince à épiler la plus tranchante du monde
Le principe physique de pincement ou de piégeage d'objets à l'échelle nanométrique, connu sous le nom de diélectrophorèse, est connu depuis longtemps et est typiquement pratiqué en utilisant une paire d'électrodes métalliques. Du point de vue de la saisie des molécules, cependant, les électrodes métalliques sont très émoussées. Ils n'ont tout simplement pas la « netteté » pour saisir et contrôler des objets à l'échelle nanométrique.
"Le graphène est le matériau le plus fin jamais découvert, et c'est cette propriété qui nous permet de rendre ces pincettes si efficaces. Aucun autre matériau ne peut s'en approcher, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Sang-Hyun Oh, un professeur Sanford P. Bordeau au département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota. "Construire des pincettes électroniques efficaces pour saisir les biomolécules, fondamentalement, nous devons créer des paratonnerres miniaturisés et concentrer une énorme quantité de flux électrique sur la pointe acérée. Les bords du graphène sont les paratonnerres les plus tranchants."
L'équipe a également montré que la pince à épiler en graphène pouvait être utilisée pour un large éventail d'applications physiques et biologiques en piégeant des nanocristaux semi-conducteurs, particules de nanodiamant, et même des molécules d'ADN. Normalement, ce type de piégeage nécessiterait des tensions élevées, le restreindre à un environnement de laboratoire, mais les pincettes en graphène peuvent piéger de petites molécules d'ADN à environ 1 volt, ce qui signifie que cela pourrait fonctionner sur des appareils portables tels que des téléphones portables.
En utilisant les installations de nanofabrication de pointe de l'Université du Minnesota au Minnesota Nano Center, L'équipe du professeur de génie électrique et informatique Steven Koester a fabriqué la pince à épiler en graphène en créant une structure sandwich où un mince matériau isolant appelé dioxyde d'hafnium est pris en sandwich entre une électrode métallique d'un côté et du graphène de l'autre. Le dioxyde d'hafnium est un matériau couramment utilisé dans les puces électroniques avancées d'aujourd'hui.
Les bords atomiquement tranchants du graphène à entraînement électrique peuvent agir comme des « pincettes » qui piègent rapidement les biomolécules de la solution environnante. Crédit :In-Ho Lee, Université du Minnesota
"L'un des grands avantages du graphène est qu'il est compatible avec les outils de traitement standard de l'industrie des semi-conducteurs, ce qui facilitera grandement la commercialisation de ces appareils à l'avenir, " dit Koester, qui a dirigé l'effort de fabrication des dispositifs au graphène.
« Comme nous sommes les premiers à démontrer un tel piégeage à faible puissance de biomolécules à l'aide de pincettes en graphène, il reste encore du travail à faire pour déterminer les limites théoriques d'un appareil totalement optimisé, " a déclaré Avijit Barik, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota et auteur principal de l'étude. « Pour cette première démonstration, nous avons utilisé des outils de laboratoire sophistiqués tels qu'un microscope à fluorescence et des instruments électroniques. Notre objectif ultime est de miniaturiser l'ensemble de l'appareil en une seule micropuce qui est actionnée par un téléphone mobile."
Pince à épiler qui peut « sentir »
Une autre perspective intéressante pour cette technologie qui sépare les pincettes en graphène des dispositifs à base de métal est que le graphène peut également « sentir » les biomolécules piégées. En d'autres termes, les pincettes peuvent être utilisées comme biocapteurs avec une sensibilité exquise qui peuvent être affichées à l'aide de techniques électroniques simples.
"Le graphène est un matériau extrêmement polyvalent, " a déclaré Koester. " Il fait d'excellents transistors et photodétecteurs, et a le potentiel pour l'émission de lumière et d'autres nouveaux dispositifs de biocapteur. En ajoutant la capacité de saisir et de détecter rapidement des molécules sur le graphène, nous pouvons concevoir une plate-forme électronique basse consommation idéale pour un nouveau type de biocapteur portable."
Oh convient que les possibilités sont infinies.
"En plus du graphène, nous pouvons utiliser une grande variété d'autres matériaux bidimensionnels pour construire des pincettes atomiquement tranchantes combinées à des propriétés optiques ou électroniques inhabituelles, " a déclaré Oh. " C'est vraiment excitant de penser à des pincettes atomiquement tranchantes qui peuvent être utilisées pour piéger, sens, et libérer des biomolécules par voie électronique. Cela pourrait avoir un énorme potentiel pour les diagnostics au point de service, qui est notre objectif ultime pour cet appareil puissant."
En plus de Oh, Koester, et Barik, les autres chercheurs de l'équipe comprennent le professeur adjoint Tony Low du département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota, étudiant diplômé Yao Zhang, et chercheur postdoctoral Roberto Grassi, ainsi que le professeur Joshua Edel et l'associé de recherche Binoy Paulose Nadappuram de l'Imperial College de Londres.
La recherche de l'Université du Minnesota a été financée principalement par la National Science Foundation et le Minnesota Partnership for Biotechnology and Medical Genomics, une entreprise collaborative unique entre l'Université du Minnesota, Clinique Mayo, et l'État du Minnesota.
