Les échafaudages d'ADN permettent l'auto-assemblage de dispositifs électroniques 3D
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Des chercheurs de Columbia Engineering ont utilisé pour la première fois l'ADN pour créer des dispositifs électroniques 3D opérationnels dotés de caractéristiques de taille nanométrique.
« Passer de la 2D à la 3D peut augmenter considérablement la densité et la puissance de calcul de l'électronique », a déclaré l'auteur correspondant Oleg Gang , professeur de génie chimique et de physique appliquée et de science des matériaux à Columbia Engineering et chef du groupe Soft and Bio Nanomaterials du Center for Functional Nanomaterials au Brookhaven National Laboratory .
La nouvelle technique de fabrication pourrait également contribuer à l’effort en cours visant à développer des systèmes d’IA directement inspirés de l’intelligence naturelle.
« Les architectures électroniques 3D imitant la structure 3D naturelle du cerveau pourraient s'avérer bien plus efficaces pour faire fonctionner des systèmes d'intelligence artificielle imitant le cerveau que les architectures 2D existantes », a déclaré Oleg Gang. Les chercheurs ont détaillé leurs conclusions le 28 mars dans la revue Science Advances .
De la gravure au pliage
L'électronique conventionnelle repose sur des circuits plats. Pour accroître la puissance des micropuces, des chercheurs du monde entier expérimentent des approches permettant de les construire en trois dimensions.
Cependant, les techniques actuelles de fabrication électronique sont descendantes : un morceau de matériau est progressivement érodé, par exemple par un faisceau d'électrons, jusqu'à obtenir la structure souhaitée, comme pour sculpter un bloc de pierre. Ces méthodes ont rencontré des difficultés lors de la fabrication de dispositifs 3D, notamment pour créer des structures complexes et le faire de manière rentable. Par exemple, elles rencontrent des difficultés pour assembler plusieurs couches de circuits correctement empilées. « Au fil des centaines d'étapes de production, les erreurs s'accumulent, ce qui est prohibitif en termes de performances et de coût », lance Oleg Gang.
Une méthode conceptuellement différente pour construire un système 3D consiste à partir du bas vers le haut, où de nombreux composants s'auto-assemblent pour former des structures complexes. Des chercheurs de Columbia Engineering ont développé une nouvelle méthode ascendante, inspirée de la biologie, permettant aux composants électroniques 3D de s'auto-construire. La clé de cette nouvelle technique réside dans la façon dont les brins d'ADN peuvent se replier pour former des formes , appelées origami. Ces éléments constitutifs, appelés cadres, sont ensuite utilisés pour assembler des structures 3D à grande échelle, appelées charpentes, avec une précision nanométrique.
L'ADN est constitué de chaînes de quatre types de molécules différentes, connues sous les lettres A, T, C et G. Celles-ci s'agglutinent les unes aux autres de manière très spécifique : A à T et C à G. En concevant plusieurs molécules avec les séquences appropriées, les chercheurs peuvent obtenir que de longs brins d'ADN se replient en formes bidimensionnelles ou tridimensionnelles. Des fragments d'ADN agrafés sur ces brins maintiennent ensuite les motifs pliés en place.
Construire le prototype
Dans la nouvelle étude, Aaron Michelson , premier auteur de l'étude et chercheur au Centre des nanomatériaux fonctionnels du Laboratoire national de Brookhaven , ancien doctorant au sein du groupe de Gang, ainsi que Gang et ses collègues, ont déposé des matrices de carrés d'or sur une surface, sur laquelle ils ont pu fixer de courts fragments d'ADN. Ces molécules ont servi d'ancrages pour fixer des structures d'ADN octaédriques en forme de diamant à huit côtés qui s'auto-assemblent en structures 3D à ces emplacements spécifiques de la surface.
« Ces matrices d'or avec des brins d'ADN ancrés favorisent la croissance d'échafaudages d'ADN 3D sur des zones désignées selon des motifs et des orientations souhaités, ce qui nous permet d'établir et d'intégrer cet ADN sur une plaquette électronique », précise OIeg Gang.
Les chercheurs, en collaboration avec le groupe du professeur Vald Pribiag de l'Université du Minnesota, ont ensuite recouvert ces structures d'ADN d'oxyde de silicium , les ont imprégnées d'oxyde d'étain, un semi-conducteur, et ont connecté des électrodes à chaque structure. Résultat : des capteurs de lumière qui réagissent électriquement lorsqu'ils sont éclairés.
« Nous avons démontré que nous pouvons non seulement créer des structures 3D à partir d'ADN, mais aussi les intégrer à des micropuces dans le cadre de la fabrication d'appareils électroniques », assure Oleg Gang. « Nous pouvons placer des milliers de ces structures à des endroits précis sur des plaquettes de silicium de manière évolutive. Cela démontre que nous pouvons révolutionner la fabrication d'appareils électroniques 3D complexes. »
« Nous travaillons depuis longtemps sur les phénomènes susceptibles de faciliter la fabrication d'un dispositif électronique auto-assemblable », a déclaré Oleg Gang. « C'est passionnant de pouvoir désormais démontrer concrètement ces idées futuristes et de fabriquer un dispositif opérationnel grâce à ces procédés de fabrication ascendants. »
À l'avenir, Oleg Gang et ses collègues aimeraient utiliser leur nouvelle méthode pour créer des appareils électroniques plus complexes utilisant plusieurs matériaux. « Notre prochain rêve est de créer des circuits 3D », a-t-il déclaré.
https://www.engineering.columbia.edu/about/news/dna-helps-electronics-leave-flatland