Des transistors en soie pour une électronique plus sensible

Des transistors hybrides biologiques pourraient révolutionner l’électronique et l’informatique en intégrant des matériaux vivants dans les circuits intégrés.

Votre téléphone contient peut-être plus de 15 milliards de minuscules transistors dans ses puces de microprocesseur. Ces transistors sont fabriqués en silicium, en métaux comme l’or et le cuivre, et en isolants qui, ensemble, convertissent un courant électrique en 1 et 0 pour communiquer et stocker des informations. Les matériaux des transistors sont inorganiques, principalement dérivés de roches et de métaux.

Mais que se passerait-il si on pouvait fabriquer ces composants électroniques fondamentaux en partie biologiques, capables de réagir directement à l’environnement et de changer comme un tissu vivant ? C’est ce qu’a réalisé une équipe du Silklab de l’Université Tufts lorsqu’elle a créé des transistors en remplaçant le matériau isolant par de la soie biologique.

La fibroïne de soie – protéine structurelle des fibres de soie – peut être déposée avec précision sur des surfaces et facilement modifiée par d’autres molécules chimiques et biologiques pour en changer les propriétés. La soie fonctionnalisée de cette manière peut détecter un large éventail de composants du corps ou de l’environnement.

La première démonstration du prototype de l’équipe a utilisé les transistors hybrides avec de la fibroïne de soie pour fabriquer un capteur d’haleine ultra-sensible et ultra-rapide, détectant les changements d’humidité. D’autres modifications de la couche de soie dans les transistors pourraient permettre de détecter certaines maladies cardiovasculaires et pulmonaires, ainsi que l’apnée du sommeil, ou de mesurer les niveaux de dioxyde de carbone et d’autres gaz et molécules dans l’haleine qui pourraient fournir des informations de diagnostic.

Utilisés avec du plasma sanguin, ils pourraient potentiellement fournir des informations sur les niveaux d’oxygénation et de glucose, les anticorps circulants et plus encore.

Comment cela fonctionne

Un transistor est simplement un interrupteur électrique, avec une connexion électrique entrante et une autre sortante. Entre les connexions se trouve le matériau semiconducteur, ainsi nommé car il ne peut conduire l’électricité que s’il est excité. Une autre source d’entrée électrique appelée grille est séparée du reste par un isolant. La grille agit comme la «clé» pour allumer et éteindre le transistor.

Dans un transistor hybride biologique, une couche de soie est utilisée comme isolant, et lorsqu’elle absorbe l’humidité, elle se comporte comme un gel transportant les ions (molécules électriquement chargées) qu’elle contient. La grille déclenche l’état activé en réarrangeant les ions dans le gel de soie. En changeant la composition ionique de la soie, le fonctionnement du transistor change, lui permettant d’être déclenché par n’importe quelle valeur de grille entre zéro et un.

« On pourrait imaginer créer des circuits qui utilisent des informations qui ne sont pas représentées par les niveaux binaires discrets utilisés en informatique numérique, mais qui peuvent traiter des informations variables comme en informatique analogique, la variation étant provoquée par la modification de ce qui se trouve à l’intérieur de l’isolant en soie », a indiqué le professeur Fiorenzo Omenetto qui dirige le Silklab.

Vers des ordinateurs biologiques

Bien sûr, l’ordinateur biologique le plus puissant connu est le cerveau, qui traite les informations avec des niveaux variables de signaux chimiques et électriques.

Le défi technique pour créer des transistors biologiques hybrides était d’atteindre un traitement de la soie à l’échelle nanométrique, jusqu’à 10 nm ou moins d’un dix millième du diamètre d’un cheveu humain.

« En y parvenant, nous pouvons maintenant fabriquer des transistors hybrides avec les mêmes procédés de fabrication utilisés pour la production de puces commerciales », a déclaré Beom Joon Kim, chercheur postdoctoral à l’École d’ingénierie. « Cela signifie que l’on peut produire un milliard de ces transistors avec les capacités disponibles aujourd’hui. »

Avoir des milliards de nœuds de transistors avec des connexions reconfigurées par des processus biologiques dans la soie pourrait conduire à des microprocesseurs capables d’agir comme les réseaux neuronaux utilisés en IA.

« À l’avenir, on pourrait imaginer avoir des circuits intégrés qui s’entraînent eux-mêmes, répondent aux signaux environnementaux et enregistrent la mémoire directement dans les transistors plutôt que de l’envoyer vers un stockage séparé », a conclu Fiorenzo Omenetto.

En synthèse

Les transistors hybrides biologiques en soie ouvrent de nouvelles perspectives passionnantes à l’interface entre l’électronique et la biologie. Ils pourraient permettre de créer des circuits intégrés bio-inspirés capables de s’auto-adapter et d’interagir avec leur environnement, ouvrant la voie à de nouvelles générations d’ordinateurs biologiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un transistor hybride biologique ?

Un transistor hybride biologique est un composant électronique qui intègre des matériaux biologiques, comme la soie, dans sa structure. Il est capable de réagir directement à l’environnement et de changer comme un tissu vivant.

Comment fonctionne un transistor hybride biologique ?

Dans un transistor hybride biologique, une couche de soie est utilisée comme isolant. Lorsqu’elle absorbe l’humidité, elle se comporte comme un gel transportant les ions qu’elle contient. La grille déclenche l’état activé en réarrangeant les ions dans le gel de soie.

Quels sont les avantages des transistors hybrides biologiques ?

Les transistors hybrides biologiques peuvent détecter un large éventail de composants du corps ou de l’environnement. Ils pourraient permettre de créer des circuits intégrés bio-inspirés capables de s’auto-adapter et d’interagir avec leur environnement.

Quels sont les défis de la création de transistors hybrides biologiques ?

Le défi technique pour créer des transistors biologiques hybrides était d’atteindre un traitement de la soie à l’échelle nanométrique, jusqu’à 10 nm ou moins d’un dix millième du diamètre d’un cheveu humain.

Quelles sont les applications potentielles des transistors hybrides biologiques ?

Les transistors hybrides biologiques pourraient être utilisés pour détecter certaines maladies cardiovasculaires et pulmonaires, ainsi que l’apnée du sommeil, ou pour mesurer les niveaux de dioxyde de carbone et d’autres gaz et molécules dans l’haleine qui pourraient fournir des informations de diagnostic.

Légende illustration principale : Un dispositif de détection de la respiration créé à l’aide de transistors hybrides silicium-soie permet de suivre rapidement et précisément les schémas respiratoires en temps réel. « Cela ouvre la voie à une nouvelle façon d’envisager l’interface entre l’électronique et la biologie, avec de nombreuses découvertes fondamentales et applications importantes à venir », déclare Fio Omenetto. Crédit : autorisation de Silklab

Les résultats ont été publiés dans la revue Advanced Materials.

Acteurs : Université Tufts, Silklab, Fiorenzo Omenetto, Beom Joon Kim