Laisser la nature être l'architecte

Inspiré par la beauté complexe des formes formées par les micro-organismes - et par la capacité de ces organismes à se reproduire rapidement - un groupe de chercheurs basé en Géorgie a peut-être trouvé un moyen efficace de créer des pièces à l'échelle nanométrique pour l'électronique de nouvelle génération.

L'ingénieur chimiste Kenneth Sandhage du Georgia Institute of Technology et une équipe de biologistes, de généticiens et d'ingénieurs en électronique ont publié les détails d'un nouveau processus de conversion des squelettes de silice finement détaillés des diatomées, un type d'algues unicellulaires, en répliques synthétiques fait de matériaux tels que le dioxyde de titane, qui conduit l'électricité et pourrait être utilisé dans les appareils électroniques.

Les nouvelles techniques exploitent la propre capacité de reproduction de la diatomée et peuvent être utilisées pour produire en série des structures tridimensionnelles complexes.

Un excellent travail est la description appliquée par Karl Berggren, chef de la Groupe Nanostructures Quantiques et Nanofabrication au MIT, qui n'était pas impliqué dans la recherche. C'est un nouveau concept pour certains gros problèmes de la nanofabrication.

Sandhage dit qu'il a eu l'idée après s'être assis à côté d'un biologiste marin lors d'un voyage en bus. Elle lui montra les structures élaborées ressemblant à des ornements de Noël fabriquées par des diatomées. Sandhage a décidé d'essayer de cultiver les organismes comme modèles pour les nanodispositifs potentiels.

Cette partie est facile, car les diatomées se reproduisent par fission cellulaire, créant deux copies exactes de leurs coquilles de silice. Après 40 générations, une seule diatomée se sera multipliée en mille milliards d'exemplaires.

Sandhage utilise ensuite une poignée de méthodes pour enduire les coquilles de diatomées de substances métalliques ou les remplacer complètement. Il utilise des matériaux tels que le dioxyde de titane (également connu sous le nom de dioxyde de titane) qui sont de meilleurs conducteurs et peuvent résister aux contraintes thermiques, deux caractéristiques importantes des matériaux utilisés en électronique.

Les structures résultantes ont des caractéristiques mesurées en dizaines de nanomètres, comparables aux plus petites caractéristiques des puces produites aujourd'hui à l'aide de techniques photolithographiques conventionnelles. La différence : des formes tridimensionnelles complexes peuvent être produites beaucoup plus rapidement en utilisant l'approche de Sandhage.

C'est important car les conceptions de puces tridimensionnelles pourraient aider les fabricants de puces à continuer à fournir des microprocesseurs plus puissants au rythme fixé par la loi de Moore, qui dit que le nombre de transistors pouvant tenir sur une puce double environ tous les deux ans.

La photolithographie conventionnelle peut être utilisée pour construire des structures tridimensionnelles en ajoutant et en gravant une couche de silicium à la fois, mais c'est un processus extrêmement lent, explique Berggren.

Pointant du doigt une image publiée dans l'article de Sandhage - paru dans le Journal international de la technologie céramique appliquée – Berggren dit : Je ne saurais en aucun cas que nous puissions créer cette structure sans les technologies qu'ils développent.

Le projet de Sandhage n'est pas la première fois que des chercheurs utilisent des modèles organiques pour produire des dispositifs et des matériaux à l'échelle nanométrique. Angela Belcher, professeur au département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT, a utilisé des protéines virales pour assembler une variété de matériaux, et une startup appelée Cambrios poursuit des applications commerciales de son travail.

Daniel Solis, un étudiant diplômé du laboratoire de Belcher, travaille sur des virus qui peuvent se fixer sur des électrodes en or et se revêtir de matériau semi-conducteur ; finalement, il espère utiliser les virus pour fabriquer des transistors fonctionnels.

Les diatomées pourraient fournir des modèles pour de nombreux autres types de structures - mais quels types exactement ne sont pas encore clairs. Sandhage espère que les centaines de milliers d'exemples de diatomées de forme unique dans la nature inciteront les ingénieurs à envisager de nouvelles possibilités de conception pour les processeurs et les puces mémoire.

Les collègues de Sandhage apprennent déjà comment les gènes des diatomées déterminent leur forme, dans l'espoir de permettre aux ingénieurs de concevoir des diatomées selon leurs propres spécifications.

Le génome d'une espèce de diatomées a été complètement séquencé et un autre est en route. Mark Hildebrand, biologiste moléculaire à la Scripps Institution of Oceanography et partenaire de Sandhage, pense que la diversité des formes naturelles des diatomées suggère, bien que contre-intuitivement, qu'il n'y a que quelques gènes de base qui contrôlent ces formes.

S'il n'y a que quelques gènes clés, dit-il, alors relativement peu de mutations seraient nécessaires pour provoquer la grande variété de formes existantes. Hildebrand espère que l'identification de ces gènes et la manipulation à la fois des gènes et des environnements dans lesquels les diatomées grandissent permettront aux chercheurs de créer de nouvelles structures.

C'est un espoir soutenu par Joanna Aizenberg de Lucent Technologies, qui a produit de minuscules lentilles inspirées de la structure des éponges.

Être capable de comprendre la génétique - comment les diatomées produisent la variété de leurs formes - peut nous donner le moyen de produire des formes non naturelles en utilisant leurs codes génétiques, explique Aizenberg.

Sandhage prévient que l'ingénierie des diatomées et leur organisation en structures utiles pour les appareils électroniques n'est pas un défi trivial. Aizenberg et Berggren disent qu'ils sont d'accord - mais tous deux sont optimistes avec réserve.

Il peut y avoir des limites à la façon dont ils peuvent les concevoir arbitrairement, dit Berggren. [Mais] je pense qu'ils seront capables de concevoir ces diatomées pour créer différents types de structures.

Pendant ce temps, Sandhage a déjà développé quelques utilisations pour ses nouvelles structures, notamment en utilisant des matériaux qui catalysent des réactions chimiques comme revêtement pour les diatomées. Le grand rapport surface/volume dans les structures à base de diatomées en fait des catalyseurs idéaux lorsqu'ils flottent librement dans une solution, explique Sandhage.

Il a utilisé des diatomées enduites de catalyseur pour détruire les pesticides, une technique qui pourrait éventuellement être utilisée pour empêcher le ruissellement de produits chimiques dangereux dans les cours d'eau et les eaux souterraines. Il a également fabriqué des structures photoluminescentes en enduisant des diatomées de matériaux qui brillent sous certaines longueurs d'onde de la lumière. Les structures pourraient un jour être utilisées dans des écrans d'ordinateur.

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