La soie rencontre le silicium : l’aube des transistors hybrides biologiques

Les transistors à l’échelle d’un microprocesseur détectent et réagissent aux états biologiques et à l’environnement.

Votre téléphone peut contenir plus de 15 milliards de minuscules transistors dans ses puces de microprocesseur. Les transistors sont constitués de silicium, de métaux comme l’or et le cuivre et d’isolants qui, ensemble, captent un courant électrique et le convertissent en 1 et 0 pour communiquer des informations et les stocker. Les matériaux des transistors sont inorganiques, essentiellement dérivés de la roche et du métal.

Mais et si vous pouviez rendre ces composants électroniques fondamentaux en partie biologiques, capables de réagir directement à l’environnement et de changer comme des tissus vivants ?

Recherche innovante de l’Université Tufts

C’est ce qu’a fait une équipe de l’Université Tufts Silklab en créant des transistors remplaçant le matériau isolant par de la soie biologique. Ils ont récemment rapporté leurs découvertes dans la revue scientifique Matériaux avancés.

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

Avancées dans la surveillance de la santé

La première démonstration par l’équipe d’un prototype de dispositif utilisait des transistors hybrides pour créer un capteur respiratoire très sensible et ultrarapide, détectant les changements d’humidité. D’autres modifications de la couche de soie pourraient permettre aux appareils de détecter certaines maladies cardiovasculaires et pulmonaires, ainsi que l’apnée du sommeil, ou de détecter les niveaux de dioxyde de carbone et d’autres gaz et molécules présents dans l’haleine qui pourraient fournir des informations diagnostiques. Utilisé avec du sang plasmails pourraient potentiellement fournir des informations sur les niveaux d’oxygénation et de glucose, les anticorps circulants, etc.

Avant le développement des transistors hybrides, le Silklab, dirigé par Fiorenzo Omenetto, professeur d’ingénierie Frank C. Doble, avait déjà utilisé la fibroïne pour fabriquer des encres bioactives pour les tissus capables de détecter les changements dans l’environnement ou sur le corps, en détectant les tatouages. qui peuvent être placés sous la peau ou sur les dents pour surveiller la santé et l’alimentation, et des capteurs qui peuvent être imprimés sur n’importe quelle surface pour détecter des agents pathogènes comme le virus responsable du COVID19.

Comprendre la fonctionnalité des transistors hybrides

Un transistor est simplement un interrupteur électrique, avec un fil électrique métallique entrant et un autre sortant. Entre les fils se trouve le matériau semi-conducteur, ainsi appelé parce qu’il n’est pas capable de conduire l’électricité à moins d’être cajolé.

Une autre source d’entrée électrique appelée porte est séparée de tout le reste par un isolant. La grille agit comme la « clé » pour activer et désactiver le transistor. Il déclenche l’état passant lorsqu’une tension de seuil – que nous appellerons « 1 » – crée un champ électrique à travers l’isolant, amorçant le mouvement des électrons dans le semi-conducteur et démarrant le flux de courant à travers les conducteurs.

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

L’avenir de l’intégration informatique et biologique

« Vous pourriez imaginer créer des circuits utilisant des informations qui ne sont pas représentées par les niveaux binaires discrets utilisés dans l’informatique numérique, mais qui peuvent traiter des informations variables comme dans l’informatique analogique, avec la variation provoquée par la modification de ce qui se trouve à l’intérieur de l’isolant en soie », a déclaré Omenetto. . « Cela ouvre la possibilité d’introduire la biologie dans l’informatique au sein des microprocesseurs modernes », a déclaré Omenetto. Bien entendu, l’ordinateur biologique connu le plus puissant est le cerveau, qui traite les informations avec des niveaux variables de signaux chimiques et électriques.

Le défi technique dans la création de transistors biologiques hybrides était de réaliser le traitement de la soie au à l’échelle nanométriquejusqu’à 10 nm ou moins de 1/10 000^ème le diamètre d’un cheveu humain. « Une fois cet objectif atteint, nous pouvons désormais fabriquer des transistors hybrides avec les mêmes processus de fabrication que ceux utilisés pour la fabrication de puces commerciales », a déclaré Beom Joon Kim, chercheur postdoctoral à l’École d’ingénierie. « Cela signifie que vous pouvez en fabriquer un milliard 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 qui pourraient agir comme les réseaux neuronaux utilisés dans l’IA. « À l’avenir, on pourrait imaginer 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 dans un stockage séparé », a déclaré Omenetto.

Les dispositifs détectant et répondant à des états biologiques plus complexes, ainsi que l’informatique analogique et neuromorphique à grande échelle restent à créer. Omenetto est optimiste quant aux opportunités futures. « Cela ouvre une nouvelle façon de penser l’interface entre l’électronique et la biologie, avec de nombreuses découvertes et applications fondamentales importantes à venir. »