De minuscules robots pas plus gros qu'une cellule pourraient être produits en masse à l'aide d'une nouvelle méthode développée par des chercheurs du MIT. Les appareils microscopiques, que l'équipe appelle "syncells" (abréviation de cellules synthétiques), pourrait éventuellement être utilisé pour surveiller les conditions à l'intérieur d'un oléoduc ou d'un gazoduc, ou pour rechercher une maladie en flottant dans la circulation sanguine.

La clé pour fabriquer de si petits appareils en grande quantité réside dans une méthode que l'équipe a développée pour contrôler le processus naturel de fracturation des particules finement atomiques, matériaux cassants, diriger les lignes de fracture afin qu'elles produisent de minuscules poches d'une taille et d'une forme prévisibles. À l'intérieur de ces poches se trouvent des circuits électroniques et des matériaux qui peuvent collecter, enregistrer, et les données de sortie.

Le nouveau procédé, appelé "autoperforation, " est décrit dans un article publié aujourd'hui dans la revue Matériaux naturels , par le professeur du MIT Michael Strano, post-doctorant Pingwei Liu, étudiant diplômé Albert Liu, et huit autres au MIT.

Le système utilise une forme bidimensionnelle de carbone appelée graphène, qui forme la structure externe des minuscules syncells. Une couche du matériau est déposée sur une surface, puis de minuscules points d'un matériau polymère, contenant l'électronique des appareils, sont déposés par une version de laboratoire sophistiquée d'une imprimante à jet d'encre. Puis, une deuxième couche de graphène est posée sur le dessus.

Fracturation contrôlée

Les gens pensent au graphène, un matériau ultrafin mais extrêmement résistant, comme étant "disquette, " mais il est en fait cassant, Strano explique. Mais plutôt que de considérer cette fragilité comme un problème, l'équipe a compris qu'elle pouvait être utilisée à leur avantage.

"Nous avons découvert que vous pouvez utiliser la fragilité, " dit Strano, qui est le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT. "C'est contre-intuitif. Avant ce travail, si vous me disiez que vous pouviez fracturer un matériau pour contrôler sa forme à l'échelle nanométrique, J'aurais été incrédule."

Mais le nouveau système fait exactement cela. Il contrôle le processus de fracturation de sorte qu'au lieu de générer des fragments aléatoires de matériau, comme les restes d'une vitre brisée, il produit des pièces de forme et de taille uniformes. "Ce que nous avons découvert, c'est qu'il est possible d'imposer un champ de déformation pour guider la fracture, et vous pouvez l'utiliser pour une fabrication contrôlée, " dit Strano.

Lorsque la couche supérieure de graphène est placée sur le réseau de points de polymère, qui forment des formes de piliers ronds, les endroits où le graphène se drape sur les bords arrondis des piliers forment des lignes de forte contrainte dans le matériau. Comme Albert Liu le décrit, "imaginez une nappe tombant lentement sur la surface d'une table circulaire. On peut très facilement visualiser la déformation circulaire en développement vers les bords de la table, et c'est très similaire à ce qui se passe lorsqu'une feuille plate de graphène se replie autour de ces piliers en polymère imprimés."

Par conséquent, les fractures sont concentrées le long de ces limites, dit Strano. « Et puis quelque chose d'assez incroyable se produit :le graphène va complètement se fracturer, mais la fracture sera guidée autour de la périphérie du pilier." Le résultat est net, morceau rond de graphène qui semble avoir été découpé proprement par une perforatrice microscopique.

Parce qu'il y a deux couches de graphène, au-dessus et au-dessous des piliers en polymère, les deux disques résultants adhèrent à leurs bords pour former quelque chose comme une petite poche de pain pita, avec le polymère scellé à l'intérieur. "Et l'avantage ici est qu'il s'agit essentiellement d'une seule étape, " contrairement aux nombreuses étapes complexes en salle blanche nécessaires à d'autres processus pour essayer de fabriquer des dispositifs robotiques microscopiques, dit Strano.

Les chercheurs ont également montré que d'autres matériaux bidimensionnels en plus du graphène, tels que le bisulfure de molybdène et le boronitrure hexagonal, fonctionnent tout aussi bien.

Des robots ressemblant à des cellules

D'une taille variant de celle d'un globule rouge humain, environ 10 micromètres de diamètre, jusqu'à environ 10 fois cette taille, ces petits objets " commencent à ressembler et à se comporter comme une cellule biologique vivante. En fait, sous un microscope, vous pourriez probablement convaincre la plupart des gens qu'il s'agit d'une cellule, " dit Strano.

Ce travail fait suite à des recherches antérieures de Strano et de ses étudiants sur le développement de syncells qui pourraient recueillir des informations sur la chimie ou d'autres propriétés de leur environnement en utilisant des capteurs à leur surface, et stocker les informations pour une récupération ultérieure, par exemple, injecter un essaim de telles particules à une extrémité d'un pipeline et les récupérer à l'autre pour obtenir des données sur les conditions à l'intérieur de celui-ci. Alors que les nouvelles syncells n'ont pas encore autant de capacités que les précédentes, ceux-ci ont été assemblés individuellement, alors que ce travail démontre un moyen de produire facilement en masse de tels dispositifs.

Outre les utilisations potentielles des syncells pour la surveillance industrielle ou biomédicale, la façon dont les petits appareils sont fabriqués est en elle-même une innovation à fort potentiel, selon Albert Liu. "Cette procédure générale d'utilisation de la fracture contrôlée comme méthode de production peut être étendue à de nombreuses échelles de longueur, " dit-il. " [Il pourrait potentiellement être utilisé avec] essentiellement tous les matériaux 2D de choix, en principe, permettant aux futurs chercheurs d'adapter ces surfaces atomiquement minces à n'importe quelle forme ou forme souhaitée pour des applications dans d'autres disciplines."

C'est, Albert Liu dit, « l'un des seuls moyens disponibles actuellement pour produire de la microélectronique intégrée autonome à grande échelle » qui peut fonctionner de manière indépendante, dispositifs flottants. Selon la nature de l'électronique à l'intérieur, les dispositifs pourraient être dotés de capacités de mouvement, détection de divers produits chimiques ou d'autres paramètres, et stockage en mémoire.

Il existe un large éventail de nouvelles applications potentielles pour de tels dispositifs robotiques de la taille d'une cellule, dit Strano, qui détaille de nombreuses utilisations possibles dans un livre qu'il a co-écrit avec Shawn Walsh, un expert des laboratoires de recherche de l'armée, sur le sujet, appelé "Systèmes Robotisés et Plateformes Autonomes, " qui est publié ce mois-ci par Elsevier Press.

A titre de démonstration, l'équipe a "écrit" les lettres M, JE, et T dans une matrice mémoire à l'intérieur d'une synchro, qui stocke les informations sous forme de différents niveaux de conductivité électrique. Ces informations peuvent ensuite être "lues" à l'aide d'une sonde électrique, montrant que le matériau peut fonctionner comme une forme de mémoire électronique dans laquelle des données peuvent être écrites, lire, et effacé à volonté. Il peut également conserver les données sans avoir besoin d'alimentation, permettant de collecter des informations ultérieurement. Les chercheurs ont démontré que les particules sont stables sur une période de plusieurs mois même lorsqu'elles flottent dans l'eau, qui est un solvant agressif pour l'électronique, selon Strano.

"Je pense que cela ouvre une toute nouvelle boîte à outils pour la micro- et la nanofabrication, " il dit.