Fils moléculaires conducteurs : la preuve par l'ADN
L'ADN dans les circuits intégrés, réalité de demain ?

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L'évolution de l'électronique vers des structures de plus en plus miniaturisées incite les chercheurs à étudier les conducteurs de taille nanométrique, en particulier leur limite ultime : les fils moléculaires. Les expériences réalisées jusqu'à présent sur la conduction dans la molécule d'ADN ont abouti à des conclusions très contradictoires : certains chercheurs annoncent que l'ADN est un conducteur tandis que d'autres le considèrent comme un très bon isolant. Récemment, des chercheurs du Laboratoire de physique des solides1 d'Orsay et de l'Académie des sciences de Moscou ont réalisé des mesures sur des molécules d'ADN étendues entre deux électrodes métalliques distantes de 0,5 microns, et ont pu constater ses propriétés conductrices.

La difficulté de réaliser de bons contacts électriques entre la molécule d'ADN et les électrodes de mesure semble être à l'origine des résultats contradictoires obtenus. Très souvent, les connexions entre la molécule et les contacts métalliques constituent des jonctions-tunnel* dont la résistance varie énormément d'un échantillon à l'autre, faussant les résultats. Le choix du matériau constituant ces contacts a donc fait l'objet d'un soin particulier. À l'or habituellement utilisé, les chercheurs ont préféré une bicouche constituée de carbone et d'un métal supraconducteur*, le Rhénium.

D.R. 		 
Image réalisée en microscopie à force atomique des molécules étalées sur la couche de Re/C. La flèche verticale indique la direction de l'écoulement du tampon contenant l'ADN. Les flèches obliques indiquent les molécules d'ADN.


Ce choix a permis un meilleur accrochage entre molécule d'ADN et électrodes, permettant au courant électrique de circuler. L'ADN s'est révélé être aussi bon conducteur qu'un fil de cuivre de diamètre comparable (environ un nanomètre). La résistance électrique des échantillons n'est que de l'ordre de 20 kilo-Ohms à température ambiante, ce qui correspond à la meilleure conduction observée à ce jour pour l'ADN. En refroidissant, cette résistance augmente peu : 30 % entre la température ambiante (environ 20 °C, soit 293 Kelvin ou 293 K) et 1 K. Mais les chercheurs ont surtout eu la surprise d'observer de la
supraconductivité de proximité induite, en dessous de 1 K (température critique), par les électrodes Rhénium qui elles-mêmes deviennent supraconductrices.
 
Représentation schématique des échantillons étudiés constitués de molécules d'ADN étalées entre deux contacts Re/C supraconducteurs.


Ces résultats permettent d'affirmer que le transport est quantiquement cohérent sur une échelle de longueur de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Le mécanisme de conduction est cependant encore mal compris : on ne peut exclure un effet de "dopage"* de la molécule par les contacts. De plus, la façon dont sont réalisés les échantillons ne permet pas d'affirmer qu'une seule molécule d'ADN est impliquée dans la conduction. En revanche, une fois les mesures de transport réalisées, les scientifiques d'Orsay ont pu vérifier que c'est bien l'ADN qui conduit, car l'échantillon devient isolant après son exposition à une enzyme, la DNAse I, coupant spécifiquement l'ADN.
 
Dépendance en température de la résistance d'un échantillon constitué d'une dizaine de molécules d'ADN en parallèle pour différentes valeurs de champ magnétique. En champ magnétique nul, on observe une chute de résistance notable en dessous de la température de transition des contacts (de l'ordre de 1 K). Cet effet tend à disparaître quand on augmente le champ magnétique.


Les applications potentielles de cette découverte sont prometteuses. Par exemple, en biologie, on peut envisager de réaliser un test d'hybridation par mesure de conductivité électrique sur une puce. Par ailleurs, des chercheurs israéliens de Technion ont proposé que des molécules conductrices, préparées de façon adéquate, pourraient s'auto-assembler pour réaliser un circuit électronique de taille nanométrique. Or, la double hélice présente des propriétés très intéressantes d'auto-assemblage : une simple enzyme permet de réaliser la soudure spontanée et spécifique de deux molécules d'ADN. Couplées à cette capacité d'auto-assemblage, les propriétés conductrices de la molécule d'ADN revêtent donc une importance particulière.

Glossaire
 
Jonctions-tunnel : Quand une fine barrière isolante est placée entre deux métaux, il existe un mécanisme quantique qui permet aux électrons de franchir la barrière avec une probabilité qui décroît exponentiellement avec l'épaisseur de la barrière et donne lieu à une résistance électrique finie bien que très élevée entre les deux métaux.
Supraconductivité : Dans un matériau supraconducteur, les électrons s'organisent par paires (dites paires de Cooper), et la résistance au passage du courant électrique s'annule au-dessous d'une certaine température dite "critique". On peut induire une supraconductivité dans un matériau qui ne l'est pas naturellement en le connectant à un matériau supraconducteur dont les paires peuvent pénétrer dans le métal normal tant que leur cohérence n'est pas détruite. On observe alors une chute de la résistance du métal normal en dessous de la température critique, analogue à celle du métal supraconducteur.
Effet de dopage : L'apport d'électrons à un matériau semi-conducteur par des impuretés chimiques permet de rendre le matériau ainsi "dopé" conducteur. Dans le cas de l'ADN, conducteur unidimensionnel, on pense qu'un tel dopage pourrait survenir au niveau des contacts.

1 CNRS-Université Paris 11.