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Posté par Michel le Mercredi 13/02/2013 à 00:00
Des connexions biologiques pour la micro-électronique
La miniaturisation des composants électroniques est en train d'atteindre une limite physique. Si la solution de l'assemblage en trois dimensions permettrait de gagner sur l'encombrement spatial, la fabrication des connections électriques dans ces nouveaux dispositifs reste un défi technologique. Des biologistes et physiciens du CEA, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Joseph Fourier et de l'Inra à Grenoble ont mis au point (Graphie) un système de connexions auto-assemblées, grâce à des filaments d'actine (1), pour ces structures microélectroniques en 3D. Une fois rendus conducteurs, ces filaments d'actine permettent de connecter entre eux les différents composants d'un système. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials du 10 février 2013.


Visualisation en 3D d'un réseau de connexions réalisé à partir de micropiliers d'actine (gris)
©CEA/R. GALLAND

D'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) en année, nos ordinateurs et téléphones portables deviennent plus performants grâce à la densification des composants micro-électroniques qu'ils renferment. Cette densification résulte d'une miniaturisation de plus en plus poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.). Elle est en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour...) d'atteindre une limite technique liée à la taille de certains composants qui se rapproche de celle de quelques atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...). L'industrie de la microélectronique fait donc face à une barrière physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) pour augmenter la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour...) d'intégration des composants que seule une rupture technologique pourrait permettre de surmonter.

Une solution pourrait venir de l'intégration de la microélectronique en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce...). En effet, les circuits microélectroniques actuels sont plans. Empiler leurs composants les uns sur les autres est une solution pour continuer de les densifier, et améliorer ainsi leurs performances et réduire leur consommation énergétique. Se pose alors un nouveau challenge: celui de connecter les composants entre eux une fois qu'ils sont empilés. Alors que leur fabrication et leur empilement reposent sur des technologies matures, la réalisation de connections verticales pour les relier entre eux puis faire circuler un courant reste complexe. Si les techniques actuelles de la micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.) 3D permettent de réaliser ces connections à haute densité, des technologies alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) sont intéressantes à évaluer Des biologistes et des physiciens du CEA, du CNRS, de l'UJF et de l'Inra à Grenoble ont eu l'idée de mettre à profit les capacités extraordinaires d'auto-assemblage de certains composés biologiques pour que ces connexions se construisent toutes seules. Dans nos cellules, de nombreuses structures complexes et régulières s'assemblent et se désassemblent en permanence. C'est notamment le cas des réseaux de filaments constitutifs du squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage sélectif...) des cellules (cytosquelette). Ces filaments sont principalement constitués d'actine. Ils interagissent entre eux pour former des tresses, des faisceaux, des feuillets, des piliers dont l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) et les propriétés mécaniques régulent et contrôlent la forme des cellules.

La formation de ces superstructures répond à des lois mécaniques et géométriques qui sont étudiées et maîtrisées par une équipe du Laboratoire de Physiologie Cellulaire Végétale (2) (CEA/CNRS/UJF/INRA). Ces chercheurs ont mis au point une technique qui permet de contrôler l'auto-assemblage des filaments d'actine en 3D entre 2 plaques de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...). Grâce aux technologies du Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (CNRS/UJF) et du CEA-Leti, les plaques ont été placées à 30 microns l'une de l'autre et micro-structurées avec un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...). Les chercheurs ont alors injecté entre les deux surfaces une solution contenant des monomères d'actine qui ont polymérisés en réponse à la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) des microstructures. Des piliers d'actine de formes et de tailles contrôlées se sont ainsi auto-assemblés à partir des deux surfaces et rejoints pour établir des connexions. De la même manière, les chercheurs ont réussi à faire croître des piliers à partir d'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...), qui sont entrés dans des cylindres creux formés à partir de l'autre, à la façon d'une prise mâle/femelle. Puis, grâce au savoir-faire des chercheurs du CEA-Leti, ces connexions ont été métallisées avec des nanoparticules d'or, permettant le passage d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par l'action de la force...) entre les deux surfaces.


Visualisation en 3D d'un réseau d'actine (vert) assemblé à partir d'une surface micropatternée
en forme de Logo CEA (rouge). © CEA/R. GALLAND


Notes:

(1) Protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de...) qui constitue le squelette des cellules vivantes et qui permet de réguler et contrôler leur forme.

(2) Laboratoire de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de Recherches en Technologies et Sciences pour le Vivant.


Référence:

Fabrication of three-dimensional electrical connections by means of directed actin self-organization. Rémi Galland, Patrick Leduc, Christophe Guérin, David Peyrade, Laurent Blanchoin and Manuel Théry. Nature Materials. 10 février 2013.


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Source: CNRS