Graphène

 Un nouvel effet quantique découvert dans le graphène naturel (scienceaq.com)

Un nouvel effet quantique découvert dans le graphène naturel

Image au microscope électronique à balayage d'un contacté, deux atomes d'épaisseur, flocon de graphène flottant librement avec un pont métallique flottant au-dessus. Crédit :Fabian Geisenhof/Jakob Lenz

D'habitude, la résistance électrique d'un matériau dépend beaucoup de ses dimensions physiques et de ses propriétés fondamentales. Dans des circonstances particulières, cependant, cette résistance peut adopter une valeur fixe, indépendante des propriétés de base du matériau et « quantifiée » (c'est-à-dire qu'elle évolue par paliers discrets plutôt que de façon continue). Cette quantification de la résistance électrique se produit normalement dans des champs magnétiques puissants et à très basse température lorsque les électrons se déplacent de manière bidimensionnelle. Maintenant, une équipe de recherche dirigée par l'Université de Göttingen a réussi à démontrer cet effet à basse température en l'absence presque totale de champ magnétique dans le graphène double couche d'origine naturelle, qui n'a que deux atomes d'épaisseur. Les résultats de l'étude ont été publiés dans La nature .

L'équipe de l'Université de Göttingen, L'Université Ludwig Maximilian de Munich et l'Université du Texas (Dallas) ont utilisé du graphène à deux couches sous sa forme naturelle. Les délicats flocons de graphène sont mis en contact à l'aide de techniques de microfabrication standard et le flocon est positionné de manière à pendre librement comme un pont, maintenus sur les bords par deux contacts métalliques. Les doubles couches extrêmement propres de graphène montrent une quantification de la résistance électrique à basse température et des champs magnétiques presque indétectables. En outre, le courant électrique circule sans aucune perte d'énergie. La raison en est une forme de magnétisme qui n'est pas générée de la manière habituelle comme on le voit dans les aimants conventionnels (c'est-à-dire par l'alignement des moments magnétiques intrinsèques des électrons), mais par le mouvement des particules chargées dans la double couche de graphène elle-même.

"En d'autres termes, les particules génèrent leur propre champ magnétique intrinsèque, ce qui conduit à la quantification de la résistance électrique, " déclare le professeur Thomas Weitz de l'université de Göttingen.

Les contacts dorés sont représentés en jaune, le graphène double couches rouge, et le pont métallique bleu. Crédit :Fabian Geisenhof/Jakob Lenz

La raison pour laquelle cet effet est spécial n'est pas seulement qu'il ne nécessite qu'un champ électrique, mais aussi qu'il existe en huit versions différentes qui peuvent être contrôlées par des champs magnétiques et électriques appliqués. Il en résulte un degré élevé de contrôle, car l'effet peut être activé et désactivé et le sens de déplacement des particules chargées peut être inversé.

« Cela en fait un candidat vraiment intéressant pour des candidatures potentielles, par exemple, dans le développement de composants informatiques innovants dans le domaine de la spintronique, ce qui pourrait avoir des implications pour le stockage des données, " dit Weitz. " De plus, c'est un avantage que nous puissions montrer cet effet dans un système comprenant un matériau simple et naturel. Cela contraste fortement avec les « hétérostructures récemment popularisées, ' qui nécessitent une composition complexe et précise de différents matériaux.

"D'abord, cependant, l'effet doit être étudié plus avant et des moyens de le stabiliser à des températures plus élevées doivent être trouvés, car actuellement il ne se produit qu'à un maximum de cinq degrés au-dessus du zéro absolu (ce dernier étant de 273 degrés au-dessous de 0 ^o C)."

L'empilement de matériaux 2D produit des résultats surprenants (scienceaq.com)

Prof. Ray Ashoori, post-doctorants Andrea Young et Ben Hunt, étudiant diplômé Javier Sanchez-Yamagishi, et le professeur Pablo Jarillo-Herrero. Photo :Groupes Jarillo-Herrero et Ashoori

(Phys.org) —Le graphène a ébloui les scientifiques, depuis sa découverte il y a plus d'une décennie, avec ses propriétés électroniques inégalées, sa solidité et sa légèreté. Mais un objectif longtemps recherché s'est avéré insaisissable :comment intégrer au graphène une propriété appelée bande interdite, ce qui serait nécessaire pour utiliser le matériau pour fabriquer des transistors et autres appareils électroniques.

Maintenant, les nouvelles découvertes des chercheurs du MIT sont une étape majeure vers la fabrication de graphène avec cette propriété convoitée. Les travaux pourraient également conduire à des révisions de certaines prédictions théoriques en physique du graphène.

La nouvelle technique consiste à placer une feuille de graphène, un matériau à base de carbone dont la structure n'a qu'un atome d'épaisseur, sur du nitrure de bore hexagonal, un autre matériau d'un atome d'épaisseur avec des propriétés similaires. Le matériau résultant partage l'étonnante capacité du graphène à conduire les électrons, tout en ajoutant la bande interdite nécessaire pour former des transistors et autres dispositifs semi-conducteurs.

Le travail est décrit dans un article de la revue Science co-écrit par Pablo Jarillo-Herrero, le professeur adjoint de développement de carrière Mitsui de physique au MIT, Professeur de physique Ray Ashoori, et 10 autres.

"En combinant deux matériaux, " dit Jarillo-Herrero, "nous avons créé un matériau hybride qui a des propriétés différentes de celles des deux."

Le graphène est un très bon conducteur d'électrons, tandis que le nitrure de bore est un bon isolant, bloquer le passage des électrons. "Nous avons fabriqué un semi-conducteur de haute qualité en les assemblant, " explique Jarillo-Herrero. Semi-conducteurs, qui peut basculer entre les états conducteur et isolant, sont la base de toute l'électronique moderne.

Pour faire fonctionner le matériau hybride, les chercheurs ont dû aligner, avec une quasi perfection, les réseaux atomiques des deux matériaux, qui sont tous deux constitués d'une série d'hexagones. La taille des hexagones (appelée constante de réseau) dans les deux matériaux est presque la même, mais pas tout à fait :ceux en nitrure de bore sont 1,8 pour cent plus gros. Ainsi, bien qu'il soit possible d'aligner les hexagones presque parfaitement au même endroit, sur une plus grande surface, le motif entre et sort du registre.

À ce point, les chercheurs disent qu'ils doivent se fier au hasard pour obtenir l'alignement angulaire des propriétés électroniques souhaitées dans la pile résultante. Cependant, l'alignement s'avère correct environ une fois sur 15, ils disent.

"Les qualités du nitrure de bore se déversent dans le graphène, " dit Ashoori. Mais ce qui est le plus "spectaculaire, " il ajoute, est que les propriétés du semi-conducteur résultant peuvent être "réglées" en faisant juste tourner légèrement une feuille par rapport à l'autre, permettant un éventail de matériaux avec des caractéristiques électroniques variées.

D'autres ont transformé le graphène en semi-conducteur en gravant les feuilles en rubans étroits, Ashoori dit, mais une telle approche dégrade considérablement les propriétés électriques du graphène. Par contre, la nouvelle méthode semble ne pas produire une telle dégradation.

La bande interdite créée jusqu'à présent dans le matériau est plus petite que celle nécessaire pour les appareils électroniques pratiques; trouver des moyens de l'augmenter nécessitera des travaux supplémentaires, disent les chercheurs.

"Si … une large bande interdite pouvait être conçue, il pourrait avoir des applications dans toute l'électronique numérique, " dit Jarillo-Herrero. Mais même à son niveau actuel, il ajoute, cette approche pourrait être appliquée à certaines applications optoélectroniques, comme les photodétecteurs.

Les résultats "nous ont agréablement surpris, " Achoori dit, et nécessitera quelques explications de la part des théoriciens. En raison de la différence dans les constantes de réseau des deux matériaux, les chercheurs avaient prédit que les propriétés de l'hybride varieraient d'un endroit à l'autre. Au lieu, ils ont trouvé une constante, et étonnamment grand, bande interdite sur toute la surface.

En outre, Jarillo-Herrero dit, l'ampleur du changement des propriétés électriques produit en assemblant les deux matériaux "est beaucoup plus grande que la théorie ne le prédit".

L'équipe du MIT a également observé un nouveau phénomène physique intéressant. Lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, le matériau présente des propriétés fractales - connues sous le nom de spectre d'énergie du papillon Hofstadter - qui ont été décrites il y a des décennies par des théoriciens, mais pensé impossible dans le monde réel. Il y a des recherches intenses dans ce domaine; deux autres groupes de recherche rendent également compte de ces effets de papillon Hofstadter cette semaine dans le journal La nature . (voir :graphène-papillons.html" target="_blank"> phys.org/news/2013-05-61387688 … 95e-papillons.html et phys.org/news287824835.html )

Transmission par ADN

  Auto-Assemblage de Cristaux d’ADN. Mik Andersen | Xochipelli

EXTRAIT:

"En ce qui concerne la possibilité de développer des circuits et des dispositifs électroniques, il existe une abondante littérature scientifique démontrant l’implication directe de l’ADN auto-assemblé pour créer des systèmes informatiques et des nanotechnologies, également au moyen de cristaux d’ADN. On peut en trouver un exemple dans l’article de (Jackson, T. ; Fitzgerald, R. ; Miller, D.K. ; Khisamutdinov, E.F. 2021) qui explique littéralement ce qui suit : «L’intégration des progrès de la nanotechnologie des acides nucléiques et des technologies des aptamères d’acides nucléiques permet de construire de nouvelles nanoparticules qui remplissent des fonctions intermédiaires entre les ordinateurs électroniques et les systèmes biologiques. La programmation avec des molécules biologiques, notamment les acides nucléiques (AN), devient très attrayante en raison de leur potentiel pour des fonctions allant de la simple émission de fluorescence à la régulation sophistiquée de gènes in vivo. Le comportement structurel englobé par leurs séquences peut être prédit et manipulé par des algorithmes de repliement en 2D. Les biopolymères d’acide nucléique qui en résultent peuvent être utilisés comme nanoagents à commande logique pour des applications biomédicales spécifiques. Les aptamères d’ARN fluorogènes peuvent être conçus pour fonctionner comme un circuit unique au sein de portes logiques binaires individuelles. Cela démontre le grand potentiel de la nanotechnologie des acides nucléiques et promet de développer des technologies de pointe, surtout si elles sont combinées en synergie avec d’autres systèmes informatiques et nanorobotiques.» Plus important encore, la recherche scientifique confirme que les dispositifs pourraient être conçus pour “la transduction et le traitement des signaux”, ce qui recoupe les tâches effectuées par les routeurs, les transducteurs, les transducteurs, les contrôleurs, explicitement mentionnées dans le contexte du réseau de nanocommunications sans fil intracorporel. En effet, Jackson et son équipe déclarent que «la nanotechnologie de l’ADN pourrait fournir une approche simple pour concevoir de manière modulaire des interfaces conviviales pour l’entrée/sortie des signaux, dans lesquelles toutes les tâches de transduction, de traitement de l’information et de génération des signaux sont effectuées par des éléments de circuit ADN/ARN. Tout d’abord, comme de nombreuses nanostructures d’ADN sont facilement internalisées par les cellules vivantes et possèdent de nombreux sites de liaison, elles peuvent être utilisées comme vecteurs multifonctionnels pour délivrer des protéines régulatrices et des circuits informatiques ADN/ARN aux organismes vivants. En outre, ces complexes peuvent être guidés vers des organelles ou des organes spécifiques à l’aide de petits ligands, d’aptamères ou de signaux peptidiques préchargés sur des nanostructures d’ADN. Ces systèmes permettraient de concevoir un système universel pour délivrer des instructions génétiques à la cellule en utilisant des modules basés sur des nanostructures d’ADN. Deuxièmement, les nanostructures d’ADN dynamiques incorporant des FNA (acides nucléiques fonctionnels) offrent une grande flexibilité dans la conception des transducteurs de signaux en raison de la disponibilité d’une large gamme de FNA identifiés par SELEX (Systematic Ligand Evolution by Exponential Enrichment) ou extraits de génomes naturels. Ces transducteurs peuvent transformer spécifiquement un signal d’entrée en états binaires numériques (On 1/Off 0) par une commutation structurelle. Les biomolécules régulatrices libérées lors du changement de structure peuvent être relayées et reconfigurées vers des voies ou des circuits de signalisation intracellulaires. Troisièmement, les circuits ADN/ARN peuvent agir directement sur les acides nucléiques produits lors de la transduction des signaux d’entrée pour traiter les informations et prendre des décisions logiques. Quatrièmement, une fois que les signaux ont été traités, l’ADN/ARN peut être utilisé pour générer des signaux de sortie qui sont transmis à un observateur externe dans d’autres cellules.»"

Le plus grand circuit biochimique construit à partir de petites molécules d'ADN synthétiques (scienceaq.com)

Un schéma de câblage spécifiant un système de 74 molécules d'ADN qui constituent le plus grand circuit synthétique de ce type jamais réalisé. Le circuit calcule la racine carrée d'un nombre jusqu'à 15 et arrondit à l'entier inférieur le plus proche (la racine carrée discrète d'un entier de quatre bits). Crédit :Caltech/Lulu Qian

De plusieurs façons, la vie est comme un ordinateur. Le génome d'un organisme est le logiciel qui indique à la machinerie cellulaire et moléculaire (le matériel) quoi faire. Mais au lieu de circuits électroniques, la vie repose sur des circuits biochimiques, des réseaux complexes de réactions et de voies qui permettent aux organismes de fonctionner. Maintenant, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont construit le circuit biochimique le plus complexe jamais créé à partir de zéro, fait avec des dispositifs à base d'ADN dans un tube à essai qui sont analogues aux transistors électroniques sur une puce informatique.

L'ingénierie de ces circuits permet aux chercheurs d'explorer les principes du traitement de l'information dans les systèmes biologiques, et concevoir des voies biochimiques avec des capacités de prise de décision. De tels circuits donneraient aux biochimistes un contrôle sans précédent dans la conception de réactions chimiques pour des applications dans le génie biologique et chimique et les industries. Par exemple, à l'avenir un circuit biochimique synthétique pourrait être introduit dans un échantillon de sang clinique, détecter les niveaux d'une variété de molécules dans l'échantillon, et intégrer cette information dans un diagnostic de la pathologie.

"Nous essayons d'emprunter les idées qui ont eu un énorme succès dans le monde électronique, telles que des représentations abstraites d'opérations de calcul, langages de programmation, et compilateurs, et les appliquer au monde biomoléculaire, " dit Lulu Qian, chercheur postdoctoral senior en bio-ingénierie à Caltech et auteur principal d'un article publié dans le numéro du 3 juin de la revue Science .

Avec Erik Winfree, professeur d'informatique au Caltech, calcul et systèmes neuronaux, et bio-ingénierie, Qian a utilisé un nouveau type de composant basé sur l'ADN pour construire le plus grand circuit biochimique artificiel jamais réalisé. Les précédents circuits biochimiques fabriqués en laboratoire étaient limités car ils fonctionnaient de manière moins fiable et prévisible lorsqu'ils étaient mis à l'échelle à des tailles plus grandes, Qian explique. La raison probable de cette limitation est que ces circuits ont besoin de diverses structures moléculaires pour mettre en œuvre différentes fonctions, rendant les grands systèmes plus compliqués et difficiles à déboguer. La nouvelle approche des chercheurs, cependant, implique des composants simples, standardisé, fiable, et évolutif, ce qui signifie que des circuits encore plus grands et plus complexes peuvent être fabriqués et fonctionnent toujours de manière fiable.

"Vous pouvez imaginer que dans l'industrie informatique, vous voulez faire des ordinateurs de mieux en mieux, " Qian dit. " C'est notre effort pour faire la même chose. Nous voulons faire de meilleurs circuits biochimiques qui peuvent effectuer des tâches de plus en plus sophistiquées, conduire les dispositifs moléculaires à agir sur leur environnement."

Pour construire leurs circuits, les chercheurs ont utilisé des morceaux d'ADN pour fabriquer des portes logiques, des dispositifs qui produisent des signaux de sortie marche-arrêt en réponse à des signaux d'entrée marche-arrêt. Les portes logiques sont les éléments constitutifs des circuits logiques numériques qui permettent à un ordinateur d'effectuer les bonnes actions au bon moment. Dans un ordinateur conventionnel, les portes logiques sont réalisées avec des transistors électroniques, qui sont câblés ensemble pour former des circuits sur une puce de silicium. Circuits biochimiques, cependant, se composent de molécules flottant dans un tube à essai d'eau salée. Au lieu de dépendre des électrons entrant et sortant des transistors, Les portes logiques basées sur l'ADN reçoivent et produisent des molécules sous forme de signaux. Les signaux moléculaires voyagent d'une porte spécifique à une autre, connectant le circuit comme s'il s'agissait de fils.

Winfree et ses collègues ont d'abord construit un tel circuit biochimique en 2006. Dans ce travail, Les molécules de signal d'ADN ont connecté plusieurs portes logiques d'ADN les unes aux autres, formant ce qu'on appelle un circuit multicouche. Mais ce circuit antérieur ne comprenait que 12 molécules d'ADN différentes, et le circuit a ralenti de quelques ordres de grandeur lorsqu'il est passé d'une seule porte logique à un circuit à cinq couches. Dans leur nouveau design, Qian et Winfree ont conçu des portes logiques plus simples et plus fiables, leur permettant de faire des circuits au moins cinq fois plus grands.

Leurs nouvelles portes logiques sont constituées de morceaux soit courts, soit ADN simple brin ou ADN partiellement double brin dans lequel des brins simples ressortent comme des queues de la double hélice de l'ADN. Les molécules d'ADN simple brin agissent comme des signaux d'entrée et de sortie qui interagissent avec les molécules partiellement double brin.

"Les molécules flottent simplement en solution, se croiser de temps en temps, " explique Winfree. " Parfois, un brin entrant avec la bonne séquence d'ADN se fermera jusqu'à un brin tout en décompressant simultanément un autre, le libérant en solution et lui permettant de réagir avec un autre brin. » Parce que les chercheurs peuvent coder n'importe quelle séquence d'ADN qu'ils veulent, ils ont le plein contrôle sur ce processus. "Vous avez cette interaction programmable, " il dit.

Qian et Winfree ont fait plusieurs circuits avec leur approche, mais le plus grand - contenant 74 molécules d'ADN différentes - peut calculer la racine carrée de n'importe quel nombre jusqu'à 15 (techniquement parlant, tout nombre binaire de quatre bits) et arrondissez la réponse à l'entier le plus proche. Les chercheurs surveillent ensuite les concentrations de molécules de sortie pendant les calculs pour déterminer la réponse. Le calcul prend environ 10 heures, il ne remplacera donc pas votre ordinateur portable de sitôt. Mais le but de ces circuits n'est pas de rivaliser avec l'électronique; c'est pour donner aux scientifiques un contrôle logique sur les processus biochimiques.

Leurs circuits ont plusieurs caractéristiques nouvelles, dit Qian. Parce que les réactions ne sont jamais parfaites - les molécules ne se lient pas toujours correctement, par exemple, il y a du bruit inhérent dans le système. Cela signifie que les signaux moléculaires ne sont jamais entièrement activés ou désactivés, comme ce serait le cas pour la logique binaire idéale. Mais les nouvelles portes logiques sont capables de gérer ce bruit en supprimant et en amplifiant les signaux, par exemple, amplifier un signal à 80 %, ou en inhibant un qui est à 10 %, résultant en des signaux qui sont soit près de 100 pour cent présents ou inexistants.

Toutes les portes logiques ont des structures identiques avec des séquences différentes. Par conséquent, ils peuvent être standardisés, afin que les mêmes types de composants puissent être câblés ensemble pour faire n'importe quel circuit que vous voulez. Quoi de plus, Qian dit, vous n'avez pas besoin de savoir quoi que ce soit sur la machinerie moléculaire derrière le circuit pour en faire un. Si vous voulez un circuit qui, dire, diagnostique automatiquement une maladie, vous soumettez simplement une représentation abstraite des fonctions logiques de votre conception à un compilateur que les chercheurs fournissent en ligne, qui traduira ensuite la conception en composants ADN nécessaires à la construction du circuit. À l'avenir, un fabricant extérieur peut alors fabriquer ces pièces et vous donner le circuit, Prêt à partir.

Les composants du circuit sont également accordables. En ajustant les concentrations des types d'ADN, les chercheurs peuvent modifier les fonctions des portes logiques. Les circuits sont polyvalents, comportant des composants plug-and-play qui peuvent être facilement reconfigurés pour recâbler le circuit. La simplicité des portes logiques permet également des techniques plus efficaces qui les synthétisent en parallèle.

"Comme la loi de Moore pour l'électronique au silicium, qui dit que les ordinateurs deviennent de plus en plus petits et puissants chaque année, les systèmes moléculaires développés avec la nanotechnologie de l'ADN ont doublé de taille environ tous les trois ans, " dit Winfree. Qian ajoute, "Le rêve est que les circuits biochimiques synthétiques atteindront un jour des complexités comparables à la vie elle-même."