Pour y parvenir, des scientifiques de l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences ont étudié les possibilités d'auto-assemblage de machines moléculaires en s'appuyant sur des solutions perfectionnées par l'évolution naturelle et en utilisant une synergie avec la fabrication actuelle de puces.

Il existe une limite à la miniaturisation des puces informatiques actuelles à base de silicium. L'électronique moléculaire, utilisant des commutateurs et des mémoires de la taille d'une molécule unique, pourrait révolutionner la taille, la vitesse et les capacités des ordinateurs tout en réduisant leur consommation d'énergie croissante, mais leur production en série constitue un défi. La nanofabrication et l'assemblage des composants accessibles à grande échelle, avec peu de défauts, restent difficiles à atteindre. L'inspiration tirée de la nature vivante pourrait changer ce statu quo.

De petits prototypes de circuits moléculaires composés de quelques molécules sont actuellement produits par microscopie à sonde à balayage, qui les manipule une molécule à la fois par un cantilever macroscopique lent et lourd.

Prokop Hapala, qui a dirigé l'étude publiée dans ACS Nano , le compare à la construction d'une mosaïque délicate à l'aide d'une énorme grue, une tuile à la fois. L’auto-assemblage pourrait résoudre ce problème, mais il crée d’autres défis. Par exemple, comment pouvons-nous produire une variété de structures alors que seule une faible quantité d’informations structurelles peut être codée dans les interactions entre quelques groupes fonctionnels ?

Des chercheurs de l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences se sont inspirés de la nature, où les composants fonctionnels et structurels sont découplés dans des modèles polymères tels que l'ADN ou l'ARN. Là, les sucres-phosphates représentent l'échafaudage et les bases nucléiques, liées par des liaisons hydrogène, assurent le stockage de l'information.

Grâce à ces liaisons, ces polymères informationnels peuvent s’auto-assembler sous des formes complexes et piloter l’auto-réplication ou la synthèse d’autres molécules plus petites. Cette approche a déjà été utilisée dans « l’origami ADN », qui peut produire des molécules complexes ayant les formes et les fonctions souhaitées. Mais comment pouvons-nous étendre le processus et obtenir une plus grande variété ?

"Les paires de bases d'ADN connues, dont on peut naïvement penser qu'elles seraient le meilleur choix, ne peuvent pas être utilisées telles quelles", explique Paolo Nicolini, l'un des auteurs. "Ils fonctionnent très bien dans la cellule, mais cela est dû à l'environnement et au reste de la machinerie cellulaire. Dans des conditions compatibles avec la nanofabrication, ils ne sont tout simplement pas assez sélectifs."

Mithun Manikandan, Paolo Nicolini et Prokop Hapala ont décidé de combiner les possibilités offertes par l'origami ADN et la photolithographie pour dessiner des structures complexes de puces contemporaines. Cela pourrait ouvrir la voie à la production en masse de circuits moléculaires révolutionnaires intégrés à la technologie contemporaine de fabrication de puces, ce qui pourrait permettre une transition en douceur de la machinerie informatique actuelle au niveau suivant.

Pour ce faire, les chercheurs ont proposé de remplacer le squelette sucre-phosphate par du diacétylène photosensible. Ils ont utilisé des simulations détaillées pour rechercher des groupes terminaux complémentaires liés à l'hydrogène qui piloteraient l'auto-assemblage sur un réseau dans les conditions utilisées dans la production de puces.

Les dérivés du diacétylène ont été utilisés comme squelette car ils peuvent polymériser efficacement dans ces conditions lorsqu'ils sont amorcés par une lumière UV ou une injection d'électrons, et des unités analogues aux bases ADN/ARN (les « lettres » du code génétique) ont été étudiées in silico comme groupes terminaux. conduire l'assemblage des composants dans les formes prévues.

L'objectif était de trouver des paires complémentaires, dans lesquelles deux unités se lient de manière fiable l'une à l'autre et non à d'autres unités. Cette caractéristique, encore une fois analogue au fonctionnement de l'ADN, permettrait la création de modèles de circuits complexes et déterministes. Les chercheurs ont découvert que les unités contenant des groupes terminaux donneurs d’hydrogène pur étaient particulièrement adaptées. Seize unités candidates prometteuses ont été trouvées, ouvrant la voie à la recherche expérimentale et à d'éventuelles applications industrielles.

Les résultats ont des implications intéressantes pour le calcul de l’ADN et les analogues artificiels de l’ADN. Les alphabets de quatre lettres les plus réalisables trouvés lors de la sélection se trouvaient dans une région très étroite d'énergies de liaison de 15 à 25 kcal/mol, et tous reposaient sur un petit sous-ensemble des groupes terminaux testés.

Bien que seul un petit sous-ensemble de l’espace des lettres possible ait pu être testé avec une grande précision, cela suggère que l’alphabet ADN n’est peut-être pas simplement le résultat d’un « accident figé dans le temps », mais aurait pu être une option stable et énergétiquement favorable. Aucun alphabet de six lettres n'a été trouvé dans l'espace testé, mais de nouveaux mécanismes de sélectivité et des liaisons non covalentes autres que les liaisons hydrogène (telles que les liaisons halogènes) pourraient potentiellement les permettre. De la même manière, les possibilités des analogues d'ADN thérapeutiques et pharmaceutiques pourraient être testées.

Ces travaux vont améliorer encore la disponibilité synthétique des molécules et surmonter les limitations expérimentales. Même si la majorité d’entre nous lisons probablement ceci sur des machines reposant sur des transistors à base de silicium, nous pourrions bientôt commencer une transition en douceur vers des machines utilisant en partie la nanoélectronique moléculaire. Ce travail représente une autre étape vers un tel avenir.