Dans une étude de preuve de concept, les chercheurs ont créé des circuits à base de protéines auto-assemblés qui peuvent exécuter des fonctions logiques simples. Les travaux démontrent qu'il est possible de créer des circuits numériques stables qui tirent parti des propriétés d'un électron à des échelles quantiques.

L'une des pierres d'achoppement dans la création de circuits moléculaires est que, à mesure que la taille du circuit diminue, les circuits deviennent peu fiables. En effet, les électrons nécessaires à la création de courant se comportent comme des ondes, et non comme des particules, à l'échelle quantique. Par exemple, sur un circuit avec deux fils distants d'un nanomètre, l'électron peut "tunneliser" entre les deux fils et se trouver effectivement aux deux endroits simultanément, ce qui rend difficile le contrôle du sens du courant. Les circuits moléculaires peuvent atténuer ces problèmes, mais les jonctions à une seule molécule sont de courte durée ou à faible rendement en raison des défis associés à la fabrication d'électrodes à cette échelle.

"Notre objectif était d'essayer de créer un circuit moléculaire qui utilise le tunneling à notre avantage, plutôt que de lutter contre lui", explique Ryan Chiechi, professeur agrégé de chimie à la North Carolina State University et co-auteur correspondant d'un article décrivant le travail.

Chiechi et l'auteur co-correspondant Xinkai Qiu de l'Université de Cambridge ont construit les circuits en plaçant d'abord deux types différents de cages de fullerène sur des substrats en or à motifs. Ils ont ensuite immergé la structure dans une solution de photosystème un (PSI), un complexe protéique de chlorophylle couramment utilisé.

Les différents fullerènes ont induit les protéines PSI à s'auto-assembler sur la surface dans des orientations spécifiques, créant des diodes et des résistances une fois que les contacts supérieurs de l'eutectique de métal liquide gallium-indium, EGaIn, sont imprimés sur le dessus. Ce processus résout à la fois les inconvénients des jonctions à une seule molécule et préserve la fonction moléculaire-électronique.

"Là où nous voulions des résistances, nous avons modelé un type de fullerène sur les électrodes sur lesquelles le PSI s'auto-assemble, et là où nous voulions des diodes, nous avons modelé un autre type", explique Chiechi. "Le PSI orienté redresse le courant, ce qui signifie qu'il ne permet aux électrons de circuler que dans une seule direction. En contrôlant l'orientation nette dans des ensembles de PSI, nous pouvons dicter la façon dont la charge les traverse."

Les chercheurs ont couplé les ensembles de protéines auto-assemblées avec des électrodes fabriquées par l'homme et ont créé des circuits logiques simples qui utilisaient le comportement de tunnel électronique pour moduler le courant.

"Ces protéines dispersent la fonction d'onde électronique, médiant l'effet tunnel d'une manière qui n'est pas encore complètement comprise", explique Chiechi. "Le résultat est que malgré une épaisseur de 10 nanomètres, ce circuit fonctionne au niveau quantique, fonctionnant dans un régime tunnel. Et parce que nous utilisons un groupe de molécules, plutôt que des molécules uniques, la structure est stable. Nous pouvons en fait imprimer des électrodes au-dessus de ces circuits et construisez des appareils."

Les chercheurs ont créé de simples portes logiques ET/OU à base de diodes à partir de ces circuits et les ont incorporés dans des modulateurs d'impulsions, qui peuvent coder des informations en activant ou désactivant un signal d'entrée en fonction de la tension d'une autre entrée. Les circuits logiques basés sur le PSI ont pu commuter un signal d'entrée de 3,3 kHz, qui, bien qu'il ne soit pas comparable en vitesse aux circuits logiques modernes, est toujours l'un des circuits logiques moléculaires les plus rapides jamais signalés.

"Il s'agit d'un circuit logique rudimentaire de preuve de concept qui repose à la fois sur des diodes et des résistances", explique Chiechi. "Nous avons montré ici que vous pouvez construire des circuits intégrés robustes qui fonctionnent à haute fréquence avec des protéines.

"En termes d'utilité immédiate, ces circuits à base de protéines pourraient conduire au développement de dispositifs électroniques qui améliorent, supplantent et/ou étendent les fonctionnalités des semi-conducteurs classiques."

La recherche apparaît dans Nature Communications . + Explorer plus loin

Un réseau de distribution d'horloge basé sur des métamatériaux pour construire de grandes puces supraconductrices