Les biomatériaux pourraient offrir aux puces photoniques de nouvelles façons de se connecter aux tissus vivants.
La rédaction ·
Les biomatériaux sur le point de révolutionner les puces photoniques. Crédit : Advanced Functional Materials
La progression fulgurante de la loi de Moore ralentit, les circuits électroniques atteignant leurs limites fondamentales en termes de vitesse et d'efficacité énergétique. La solution, selon de nombreux chercheurs, réside dans la photonique, qui utilise la lumière plutôt que les électrons pour traiter et transmettre l'information. Or, les puces photoniques actuelles reposent sur les mêmes semi-conducteurs inorganiques rigides qui dominent l'électronique. Une nouvelle étude exhaustive, menée par un groupe international de chercheurs, soutient que l'avenir de la photonique pourrait bien être induit par la lumière, et non par la lumière.
Cette étude, publiée dans Advanced Functional Materials , passe en revue le domaine en pleine expansion de la biophotonique intégrée : l’association de matériaux biologiques et de dispositifs photoniques. Selon les auteurs, les biomatériaux tels que les protéines fluorescentes , l’ADN, la fibroïne de soie et la chlorophylle ne sont pas seulement des alternatives écologiques ; ils offrent des propriétés uniques dont les matériaux synthétiques sont dépourvus, notamment la programmabilité génétique, l’auto-assemblage et la capacité de s’intégrer parfaitement aux tissus vivants.
« Les biomatériaux sont plus efficaces non pas en tant que substituts complets des semi-conducteurs inorganiques, mais en tant que composants fonctionnellement spécialisés dont les attributs physico-chimiques uniques complètent les plateformes conventionnelles », écrivent les auteurs.
Cette étude met en lumière plusieurs domaines où les biomatériaux offrent déjà des performances compétitives.
Guides d'ondes : Les guides d'ondes en fibroïne de soie et en ADN-CTMA présentent des pertes optiques inférieures à 1 dB/cm dans les bandes visible et télécom, surpassant ainsi les polymères conventionnels. Ils peuvent être fabriqués à l'aide de procédés compatibles CMOS et sont suffisamment flexibles pour les capteurs portables et implantables.
Sources lumineuses : Les LED biohybrides à base de protéines fluorescentes modifiées atteignent une efficacité lumineuse d’environ 130 lm/W et une durée de vie opérationnelle supérieure à 150 jours, des performances comparables à celles des LED à base de phosphore de terres rares. Ces dispositifs sont déjà à l’étude pour la photothérapie de la jaunisse néonatale et la cicatrisation des plaies.
Biolasers : Des lasers à modes de galerie entièrement à l’état solide, à base de protéines, ont été mis au point en utilisant de la fibroïne de soie et la protéine fluorescente mCherry. Bien qu’encore à un stade préliminaire, ces lasers pourraient permettre la détection intracellulaire et le marquage cellulaire multiplexé à haut débit.
Photodétecteurs : Les dispositifs hybrides combinant la bactériorhodopsine ou des protéines fluorescentes avec des nanotubes de carbone et du graphène atteignent une sélectivité spectrale dictée par l'empreinte d'absorption de la protéine, avec des sensibilités allant jusqu'à 7×10³ A/W.
Memristors optoélectroniques : des dispositifs à base de chlorophylle, de fibroïne de soie et de points quantiques de carbone imitent la plasticité synaptique, permettant le calcul en mémoire et le prétraitement d'images avec une consommation d'énergie aussi faible que 0,25 femtojoules par événement.
Malgré ces progrès, le chemin vers la commercialisation est loin d'être sans embûches. L'étude identifie la stabilité, l'extensibilité et la compatibilité avec les procédés de fabrication comme les principaux obstacles.
Les protéines se dénaturent à des températures supérieures à 40–50 °C, et la plupart des biomatériaux se dégradent sous l'effet des solvants, des plasmas et des traitements thermiques utilisés dans la fabrication classique des semi-conducteurs. Des stratégies d'encapsulation, de réticulation chimique et de génie génétique sont en cours de développement pour pallier ces problèmes, mais les protocoles standardisés et les kits de conception de procédés pour l'intégration biophotonique restent pratiquement inexistants.
« Des technologies entièrement intégrées pour la création de dispositifs photoniques hybrides à base de biomatériaux sont en voie d’être développées », concluent les auteurs. « Ceci ouvre la voie à la conception de circuits photoniques intégrés basés sur des micro- et nanostructures hybrides fonctionnant selon des principes biophysiques et offrant des avantages uniques pour la biointégration. »
Cette étude préconise un effort concerté sur plusieurs fronts : le développement de méthodes de biostructuration compatibles CMOS, l’établissement de protocoles de caractérisation standardisés et la création de kits de conception open source utilisables par les fonderies académiques et industrielles. En attendant l’émergence de tels outils, la vision d’une puce biophotonique entièrement intégrée restera un objectif à long terme, mais de plus en plus accessible.
Source : dx.doi.org