L'électronique moléculaire est un domaine de recherche en plein essor qui vise à intégrer des molécules uniques en tant qu'éléments actifs dans les appareils électroniques. Obtenir une image complète des propriétés de transport de charge dans les jonctions moléculaires est la première étape vers la réalisation de fonctionnalités à l'échelle nanométrique. Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft ont maintenant étudié le transport de charge dans un nouveau système, la jonction à rupture mécanique en graphène, qui pour la première fois a permis l'observation expérimentale directe des effets d'interférence quantique dans le graphène bicouche en fonction des déplacements nanométriques. Cette nouvelle plateforme pourrait potentiellement être utilisée pour la prise d'empreintes électroniques de biomolécules, de l'ADN aux protéines, ce qui à son tour peut avoir des implications importantes pour le diagnostic et le traitement des maladies.

Des nanogaps séparant deux électrodes sont envisagés comme base pour la prochaine génération de technologies de détection. L'objectif est d'exploiter l'effet tunnel quantique d'électrons comme principe de détection, dans lequel la structure électronique de la molécule cible piégée dans le nanogap est directement sondée. Graphène, une monocouche d'atomes de carbone en réseau hexagonal, combine plusieurs des conditions requises pour un matériau de capteur électrique :haute conductivité, minceur atomique, la flexibilité, inertie chimique dans l'air et le liquide, et la résistance mécanique, ainsi que sa compatibilité avec les techniques de modelage lithographique standard.

Au Kavli Institute of Nanoscience de Delft, un groupe de recherche développe des jonctions à rupture mécaniquement contrôlées à base de graphène (MCBJ), qui permettent la formation d'un trou tunnel de taille réglable à l'échelle sub-nanométrique, c'est-à-dire que la taille peut être adaptée à la taille de la biomolécule à sonder.

Attention à l'écart

L'expérience MCBJ est conceptuellement très simple. Le dispositif se compose d'une structure de nœud papillon en graphène supportée sur un substrat métallique flexible. Le substrat se plie progressivement, provoquant l'étirement du graphène. Ce pont de graphène finit par se rompre et un espace nanoscopique se forme. Surtout, la conductance de jonction peut être commutée de manière réversible de près de six ordres de grandeur pendant 1, 000 cycles d'ouverture-fermeture; c'est-à-dire qu'il agit comme un interrupteur électrique qui peut être activé/désactivé mécaniquement. L'impressionnante stabilité mécanique permet la collecte de données statistiquement significatives, capturer divers comportements des jonctions au fil du temps et dans différents environnements (par exemple différentes orientations de molécules, dans les airs, vide, liquide).

En collaboration avec le groupe théorique dirigé par le professeur Jaime Ferrer à l'Université d'Oviedo (Espagne), les chercheurs ont également confirmé l'interférence des ondes électroniques lors de mesures dans l'air à température ambiante. Les résultats sont une étape importante à la fois pour la physique fondamentale et pour les applications futures du graphène en tant que commutateur électromécanique ou plate-forme de biodétection.

Prise d'empreintes électroniques

Le graphène MCBJ est un dispositif unique qui est d'une part un système modèle pour l'étude du transport quantique à température ambiante, et d'autre part peut être un outil de détection puissant pour sonder des biomolécules à très haute résolution. Les chercheurs explorent actuellement le potentiel de cette plateforme pour la prise d'empreintes électroniques de biomolécules, incluant les acides aminés et les peptides courts :le but est de discriminer des molécules à légère différence chimique selon leur structure électronique, qui peut être « lu » lorsque les molécules sont piégées dans le nanogap. Cela fournirait les premières étapes de la biodétection « basée sur un tunnel » avec du graphène, une vision convaincante aux départements de quantique et de bionanoscience de la TU Delft.

La recherche a été en partie financée par le Graphene Flagship.