Les nanotubes entrent dans la mode

L'élégance est aussi importante dans la conception scientifique que dans l'art et l'architecture, estime l'ingénieur chimiste Nicholas Kotov. Assis dans son bureau austère de l'Université du Michigan, à Ann Arbor, il exhibe un échantillon de coton noir ; en poids et en sensation, il ressemble à une chemise de ville douce et légère. Mais Kotov a transformé le tissu en un biocapteur et un conducteur électrique simplement en le trempant dans une solution de nanotubes de carbone, d'anticorps et d'un polymère.

Nicholas Kotov dans son laboratoire de l'Université du Michigan, où il fabrique des textiles traités aux nanotubes de carbone comme celui de sa main droite.

Les nanotubes de carbone individuels et bien formés sont hautement conducteurs, ce qui les rend prometteurs pour des applications telles que les électrodes de batterie et les microprocesseurs. Si des molécules telles que des anticorps sont ancrées à leur surface, elles peuvent également servir de détecteurs chimiques très sensibles : lorsqu'un anticorps se lie à sa cible, les propriétés électriques du nanutobe sont altérées de manière mesurable. Mais les nanotubes ont tendance à s'agglutiner, ce qui les empêche de fonctionner individuellement. Cela dégrade sérieusement leurs propriétés électroniques, dit Kotov.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2009

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Il existe des moyens de contourner ce problème : les nanotubes peuvent être minutieusement posés, un par un, en utilisant des méthodes qui impliquent des jours de traitement de solution suivis d'une photolithographie, ou les tubes peuvent être pulvérisés sur une surface plane en couches alternées avec un polymère conducteur, ce qui empêche agglutination. Mais Kotov a découvert que ce type d'assemblage couche par couche peut être encore simplifié pour une surface tridimensionnelle complexe telle qu'un fil de coton : l'enchevêtrement des fibres fournit un gabarit structurel qui lui permet de simplement tremper le fil dans une solution contenant le polymère et les tubes. Collés au fil par le polymère, les nanotubes forment un réseau avec de bonnes propriétés électriques, les tubes se chevauchant mais bien espacés.

La méthode se traduit par une alternative élégante, puissante et beaucoup plus portable aux textiles intelligents complexes qui incorporent des fibres optiques lourdes et volumineuses ou des fils métalliques sujets à la corrosion. Alors que Kotov explore un certain nombre d'applications possibles pour ces textiles, la plus importante, dit-il, serait en tant que biocapteurs pour assurer la sécurité des personnes. Ils pourraient être utilisés pour repérer les pertes de sang chez les soldats lors de patrouilles à distance ou pour détecter des allergènes ou des agents pathogènes en suspension dans l'air tels que la grippe. Et les fils sont bon marché et suffisamment sensibles pour une utilisation possible dans les usines ou les magasins, ou même à la maison, par exemple, pour tester un lot douteux de beurre de cacahuète pour les toxines.

Une trempette rapide
Dans le laboratoire de Kotov, l'étudiant diplômé Jian Zhu mélange des nanotubes à paroi unique disponibles dans le commerce et un polymère appelé Nafion dans de l'éthanol, ce qui empêche les composants de coller ensemble. Le Nafion colle les nanotubes sur le coton, mais ce n'est pas tout. Nafion, une longue molécule conductrice composée principalement de carbone, agit comme un minuscule ressort, permettant à chaque nanotube une certaine mesure de mouvement indépendant. Cette propriété mécanique, essentielle à la biodétection, permet également au coton de conserver sa douceur et de donner : vous ne voudriez pas porter une chemise enduite d'époxy rigide.

Zhu coupe une longueur de fil de coton ordinaire d'une bobine et utilise une pince à épiler pour l'immerger dans la solution noir d'encre. Après qu'il ait reposé pendant deux minutes, il récupère le fil et utilise une pince à reliure pour le suspendre pour le faire sécher à l'intérieur d'une hotte de laboratoire, un processus qui peut être raccourci à quelques minutes seulement avec un sèche-cheveux. La résistance électrique du fil est optimisée, a constaté Kotov, lorsqu'il a été plongé environ 10 fois.

Dans le bureau des étudiants du groupe, Zhu démontre les propriétés électroniques d'un fil de nanotube fini, qui ne se distingue pas du coton noir ordinaire. Il l'attache aux contacts électriques d'une diode électroluminescente blanche à l'aide de soudure ordinaire, puis tire les extrémités du fil à travers les clips positifs et négatifs d'une source d'alimentation. Il tourne la source d'alimentation jusqu'à trois volts, et la lumière brille intensément.

Ajout simple
La minuscule lumière n'est pas, à première vue, très impressionnante. Mais trois volts suffisent pour que les fils remplissent des fonctions telles que la biodétection. Kotov peut transformer les textiles de nanotubes en capteurs simplement en incluant des anticorps dans la solution d'éthanol initiale. Parce que les anticorps sont sensibles à la chaleur, les chercheurs ont laissé le matériau sécher à l'air au lieu d'utiliser un sèche-cheveux ; sinon, le processus est le même. L'ajout des anticorps fait varier la résistance de la fibre avec la concentration de la molécule cible de l'anticorps. Zhu prend un fil traité avec une solution contenant l'anticorps de la version humaine de l'albumine des protéines sanguines et le branche à un multimètre, qui fournit une tension constante au fil et lui permet de regarder comment sa résistance change. Lorsqu'il plonge la fibre dans une solution de sang diluée, la résistance du fil chute de 60 kilo-ohms à 20.

Lorsque le coton est plongé dans une solution de nanotubes, de Nafion et d'anticorps, les anticorps sont physiquement piégés aux intersections des réseaux de nanotubes. Lorsque les molécules sanguines adhèrent au tissu traité, ces anticorps se fixent à l'albumine dans le plasma. Le complexe albumine-anticorps, très soluble dans le sang, se détache des nanotubes, leur permettant de se rapprocher. Étant donné que le courant se déplace entre les nanotubes au moyen de l'effet tunnel quantique, sautant essentiellement d'un tube à l'autre, un petit changement de la distance entre eux peut entraîner d'énormes changements de résistance, explique Kotov. La diminution de la résistance qui se produit lorsque les anticorps se détachent du fil est une mesure plus fiable de la concentration d'albumine qu'une diminution de la conductivité ne le serait. Une conductivité réduite peut être causée par de la saleté ou d'autres contaminants, mais une diminution de la résistance est le signe d'une seule chose : l'albumine, et donc le sang répandu. Connectés à un PDA capable d'interpréter et même de transmettre les résultats, les vêtements fabriqués à partir de tissus ainsi traités pourraient générer un signal de détresse si, par exemple, vous êtes inconscient, explique Kotov.

L'utilisation d'anticorps rend également ce mécanisme de détection très spécifique : lorsque le tissu est exposé au sang bovin, qui contient une forme légèrement différente d'albumine, sa résistance ne change pas. Traités avec des anticorps contre d'autres protéines, ces tissus pourraient aider les médecins à surveiller les patients hospitalisés pour les infections ou à avertir les asthmatiques des allergènes, dit Kotov. Et la méthode est si simple, sensible et potentiellement bon marché que des capteurs à nanotubes à base de fibres pourraient même être utilisés à la place des détecteurs émergents à puce pour tester des échantillons de sang à la recherche de signes de maladies telles que le cancer.

Les capteurs de Kotov, bien que très fiables, ne sont pas réutilisables : une fois que les anticorps se détachent des nanotubes, ils sont emportés, de sorte que le tissu ne peut pas détecter les protéines une seconde fois. Kotov dit que les tissus devraient être suffisamment bon marché pour un usage unique. Il travaille également sur des versions réutilisables, en modifiant la chimie afin que les anticorps libèrent leurs cibles après détection et restent dans le tissu.

Kotov travaille déjà avec Nico Technologies pour développer des vêtements fabriqués à partir de textiles pour des applications militaires et civiles non divulguées. Cependant, note-t-il, les futurs vêtements pourraient inclure différents types de fils enduits, chacun traité pour une fonction différente. Vous n'avez besoin que d'un seul fil [traité par des nanotubes] dans un vêtement, dit-il, et toutes les avancées fondamentales de la nanotechnologie sont là.

cacher