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De minuscules robots, pas plus gros qu’une cellule, pourraient être fabriqués en série grâce à une nouvelle méthode mise au point par des chercheurs du MIT. Les dispositifs microscopiques, que l’équipe appelle «syncells» (abréviation de «cellules synthétiques»), pourraient éventuellement être utilisés pour surveiller les conditions à l’intérieur d’un pipeline de pétrole ou de gaz, ou pour rechercher une maladie tout en flottant dans le sang.

Des robots microscopiques pour rechercher des maladies

La clé pour fabriquer de tels dispositifs minuscules en grande quantité réside dans une méthode mise au point par l’équipe pour contrôler le processus de fracturation naturelle des matériaux fragiles de taille atomique, en dirigeant les lignes de fracture de manière à produire des minuscules poches de taille et de forme prévisibles. Ces circuits contiennent des circuits électroniques et des matériaux pouvant collecter, enregistrer et fournir des données.

Ce processus novateur, appelé «autoperforation», est décrit dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature Materials, par le professeur Michael Strano, le postdoctorant Pingwei Liu, l’étudiant diplômé Albert Liu et huit autres personnes au MIT.

Le système utilise une forme de carbone bidimensionnelle appelée graphène, qui forme la structure externe des minuscules syncells. Une couche du matériau est déposée sur une surface, puis de minuscules points d’un matériau fait de polymère, contenant les composants électroniques des dispositifs, sont déposés par une version sophistiquée d’une imprimante à jet d’encre. Ensuite, une deuxième couche de graphène est déposée sur le dessus.

La fracturation contrôlée

Les gens pensent que le graphène, un matériau ultramince mais extrêmement résistant, est un «disque souple», mais qu’il est en réalité fragile, explique Strano. Mais au lieu de considérer cette fragilité comme un problème, l’équipe a compris qu’elle pourrait être utilisée à leur avantage.

«Nous avons découvert que vous pouvez utiliser sa fragilité», déclare Strano, professeur de génie chimique chez Carbon P. Dubbs au MIT. «C’est contre-intuitif. Avant ce travail, si vous m’aviez expliqué que vous pouviez fracturer un matériau pour en contrôler la forme à l’échelle nanométrique, j’aurais été incrédule. »

Mais ce nouveau système ne fait pas que cela. Il contrôle le processus de fracturation de sorte que, plutôt que de générer des fragments aléatoires de matériau, comme les restes d’une fenêtre cassée, il produit des pièces de forme et de taille uniformes. «Ce que nous avons découvert, c’est que vous pouvez imposer un champ de déformation pour guider la fracture, et vous pouvez l’utiliser pour une fabrication contrôlée», explique Strano.

Lorsque la couche supérieure de graphène est placée sur la série de points de polymère, qui forment des piliers, les endroits où le graphène se drape sur les bords arrondis des piliers forment des lignes de contrainte élevée dans le matériau. Comme Albert Liu le décrit, «imaginez une nappe qui tombe lentement sur la surface d’une table circulaire. On peut très facilement visualiser la déformation circulaire en développement sur les bords de la table, ce qui est très similaire à ce qui se produit quand une feuille plate de graphène se plie autour de ces piliers de polymères imprimés.  »

En conséquence, les fractures sont concentrées le long de ces limites, explique Strano. « Puis quelque chose d’assez étonnant se produit: le graphène va se fracturer complètement, mais la fracture sera guidée à la périphérie du pilier. » Le résultat est un morceau de graphène net et rond qui semble avoir été découpé proprement par une perforatrice microscopique.

Puisqu’il y a deux couches de graphène, au-dessus et au-dessous des piliers en polymère, les deux disques résultants adhèrent sur leurs bords pour former quelque chose qui ressemble à une minuscule poche pour pain pita, avec le polymère scellé à l’intérieur. «L’avantage ici est qu’il s’agit essentiellement d’une seule étape», contrairement à de nombreuses étapes complexes en salle blanche qui sont nécessaires à d’autres processus pour essayer de fabriquer des dispositifs robotiques microscopiques, explique Strano.

Les chercheurs ont également démontré que d’autres matériaux bidimensionnels, en plus du graphène, tels que le disulfure de molybdène et le boronitrure hexagonal, fonctionnaient tout aussi bien.

Des robots semblables à des cellules

D’une taille allant de celle d’un globule rouge humain, d’environ 10 micromètres, jusqu’à environ 10 fois cette taille, ces objets minuscules «commencent à ressembler et se comportent comme une cellule biologique vivante. En fait, sous un microscope, vous pourriez probablement convaincre la plupart des gens que c’est une cellule », explique Strano.

Ce travail fait suite à des recherches antérieures menées par Strano et ses étudiants sur la mise au point de syncells capables de collecter des informations sur la chimie ou d’autres propriétés de leur environnement à l’aide de capteurs situés à leur surface, et de les stocker pour une récupération ultérieure, par exemple en injectant un essaim de ces particules dans une extrémité du pipeline et les récupérer à l’autre bout pour obtenir des données sur les conditions internes.

Outre les utilisations potentielles des syncells pour la surveillance industrielle ou biomédicale, la façon dont ces dispositifs minuscules sont fabriqués est en soi une innovation avec un grand potentiel, selon Albert Liu. «Cette procédure d’utilisation de la fracture contrôlée en tant que méthode de production peut être étendue à plusieurs échelles de longueurs», explique-t-il. « Elle pourrait potentiellement être utilisée avec n’importe quel matériau 2D, permettant en principe aux futurs chercheurs d’adapter ces minces surfaces atomiquement à toutes les formes souhaitées pour des applications dans d’autres disciplines. »

Ils peuvent être dotés de plusieurs fonctionnalités

Selon Albert Liu, «c’est l’un des seuls moyens actuellement disponibles pour produire une microélectronique intégrée autonome à grande échelle» qui peut fonctionner comme un dispositif autonome flottant librement. Selon la nature des composants électroniques internes, ces dispositifs peuvent être dotés de fonctions de déplacement, de détection de divers produits chimiques ou d’autres paramètres, ainsi que de stockage des données en mémoire.

Il existe un large éventail de nouvelles applications potentielles pour ce type d’appareils robotiques de la taille d’une cellule, explique Strano, qui décrit de nombreuses utilisations possibles dans un livre qu’il a co-écrit avec Shawn Walsh, un expert des Laboratoires de recherche de l’armée américaine, intitulé « Robotic Systems and Autonomous Platforms », publié ce mois-ci par Elsevier Press.

À titre de démonstration, l’équipe a «écrit» les lettres M, I et T dans une matrice de mémoire au sein d’une syncells, qui stocke les informations sous différents niveaux de conductivité électrique. Cette information peut ensuite être «lue» à l’aide d’une sonde électrique, ce qui montre que ce matériau peut fonctionner comme une forme de mémoire électronique dans laquelle des données peuvent être écrites, lues et effacées à volonté.

Aucune énergie et une stabilité pendant plusieurs mois

Il peut également conserver les données sans avoir besoin d’énergie, ce qui permet de collecter des informations ultérieurement. Les chercheurs ont démontré que ces particules sont stables sur une période de plusieurs mois, même lorsqu’elles flottent dans l’eau, ce qui est un solvant dur pour l’électronique, selon Strano. «Je pense que cela ouvre une nouvelle boîte à outils pour la micro et la nanofabrication», explique-t-il.

Daniel Goldman, professeur de physique à Georgia Tech, qui n’était pas impliqué dans ce travail, a déclaré: «les techniques développées par le groupe du professeur Strano ont le potentiel de créer des dispositifs intelligents à l’échelle microscopique, capables d’accomplir ensemble des tâches qu’aucune particule ne peut accomplir seule. ”

Source : MIT