Par Patrick Couvreur et Jean-Claude Mounolou

Des scientifiques de l'Université Rice aux Etats-Unis ont construit la plus petite voiture du monde: une simple molécule formant un châssis, des axes et quatre roues, qu'ils ont baptisé Nanocar. Elle pourrait permettre, pour une utilisation industrielle, de convoyer et assembler des nanostructures.

La Nanocar mesure 3 nanomètres de large pour 4 de long, ce qui permet à Jim Tour, professeur de chimie et responsable de l'équipe de recherche, d'affirmer qu'il est "impossible de construire un véhicule plus petit". Ce véhicule en question possède tout de même quatre essieux directionnels indépendants et une suspension intégrée. En forme de H, il est doté de quatre grandes roues composées de sphères de carbone de 60 atomes chacune. (Image de synthèse de la Nanocar)

A l'inverse du mouvement de va-et-vient typique à l'échelle nanométrique, la Nanocar peut se déplacer indépendamment vers l'avant comme vers l'arrière grâce à ses essieux rotatifs, et pivoter pour prendre une nouvelle direction. Elle peut circuler sur un terrain nanométrique pouvant contenir des creux et des bosses de grandes tailles, toutes proportions gardées bien entendu.

La Nanocar pourrait servir à convoyer et positionner des nanomatériaux en un point précis, permettant la fabrication de nanostructures. Jim Tour indique qu'une multitude de Nanocar pourrait permettre l'élaboration de puces électroniques comportant moins de défauts, telles des microprocesseurs. On aurait ainsi des véhicules cargos pouvant transporter et assembler des molécules une à une.

Afin d'arriver à ces objectifs, il reste encore à motoriser la Nanocar. L'équipe de Jim Tour y travaille, et possède déjà un moteur opérationnel à l'échelle nanométrique qu'il reste à intégrer au nanovéhicule. Le moteur tire son énergie des photons de la lumière environnante.

Illustration: Y. Shira - Université Rice

Article publié dans NanoLetters : Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars.

Grâce à la microscopie à force atomique, Simon Scheuring (Inserm), dans une unité CNRS à l’Institut Curie, et James N. Sturgis, professeur à l’Université de la Méditerranée (unité CNRS) ont observé l’organisation d’une membrane de bactérie et ses changements en fonction de facteurs externes. C’est la première fois qu’une membrane est épiée dans son intimité. Ils montrent ainsi que l’organisation des protéines membranaires n’est pas fixe mais peut aussi varier géographiquement et temporellement selon les besoins.

L’organisme est constitué d’une multitude d’organites aux fonctions variées. Pour qu’ils trouvent leur place, ils doivent être bien différenciés et surtout isolés. C’est le rôle des membranes. Composées d’une double couche de lipides, elles entourent les cellules et délimitent ainsi leur volume. Mais les membranes ne sont pas de simples clôtures, elles servent aussi de garde-frontières. Et pour cela elles sont aidées par les protéines membranaires. Ce sont en effet ces dernières qui filtrent le passage entre les deux milieux.

Les membranes assurent également le relais des informations entre l’intérieur et l’extérieur. Elles sont indispensables à la communication entre les cellules et leur environnement. Les messages informatifs venus de l’extérieur (autres cellules, tissus et organes) se fixent au niveau des récepteurs membranaires ce qui active des protéines à l’intérieur de la cellule qui à leur tour en activent d’autres, et ainsi de suite jusqu’à activer une réponse génétique. Une fois interprétés, ces signaux vont permettre aux cellules de déterminer leur position et leur rôle dans l’organisme.

Ils sont indispensables à la prolifération, à la différenciation, à la morphologie et à la mobilité des cellules, des fonctions cellulaires essentielles. Au niveau des organes, ces signaux assurent le maintien harmonieux de la taille et de la fonction des tissus.

Près de 70 % des médicaments ciblent d’ailleurs ces protéines membranaires. Ces protéines extrêmement nombreuses ne fonctionnent généralement pas de manière isolée mais en s’associant entre elles pour former des supercomplexes protéiques. Simon Scheuring et James N. Sturgis ont obtenu des images à haute résolution de membranes biologiques en conditions physiologiques grâce à la microscopie à force atomique, une technique développée par des physiciens en 1986 qui permet d’obtenir une image de la surface d’un échantillon à des résolutions atomiques.

Son principe consiste à balayer la surface de l’échantillon avec une pointe dont les déplacements sont repérés par un laser. Ces données permettent ensuite de dresser la carte « topographique » de l’échantillon. La microscopie à force atomique présente l’énorme avantage de pouvoir analyser des échantillons en solution : un atout majeur pour la biologie. Dès 1995, des protéines membranaires ont pu être observées en microscopie à force atomique, à des résolutions latérales de 10 angströms et verticales de 1 angström (un dixième de milliardième de mètre).

Les chercheurs ont ainsi observé le « relief » de multiples protéines membranaires qui travaillent ensemble dans les membranes natives - c’est-à-dire très proches de leur état naturel - et ainsi accéder à leur organisation. Ils montrent que l’organisation de la membrane des bactéries photosynthétiques changent en fonction de la quantité de lumière disponible. Lorsque l’intensité lumineuse est faible, la proportion de collecteurs de lumière est plus importante. Pour "gérer" l’ensemble de cette lumière "récoltée", les centres réactionnels s’agencent entre eux de manière à éviter de trop grandes pertes : en effet si une trop grande quantité de lumière est perdue, elle peut entraîner la formation de radicaux nuisant à l’ADN et aux protéines et à terme endommager la bactérie.

Les membranes sont donc totalement réactives à l’environnement et se réorganisent en fonction des besoins. Ces résutats semblent par ailleurs confirmer que les membranes ne sont pas homogènes mais qu’il existe au sein d’une même membrane plusieurs compositions possibles (la localisation et la quantité de lipides et de protéines membranaires varient dans une même membrane). A travers cet exemple, les chercheurs abordent des aspects très généraux de l’organisation des membranes.

Au-delà d’une meilleure compréhension de la photosynthèse chez les bactéries, ces résultats montrent tout l’intérêt de la microscopie à force atomique pour observer des protéines à l’échelle nanométrique (c’est-à-dire à l’échelle du millième de millimètre) dans des membranes natives. Simon Scheuring nous plonge dans l’intimité des complexes de protéines en les observant in situ et dans des conditions physiologiques naturelles. C’est grâce à la combinaison de technique d’imagerie à haute résolution telle que la microscopie à force atomique, la microscopie optique et la microscopie électronique que les cellules livreront progressivement leurs secrets.

Inserm

Des scientifiques du Kavli Institute of Nanoscience de Delft (Pays-Bas) et de Philips Research (Eindhoven, Pays-Bas) ont développé des transistors supraconducteurs basés sur des fils d’arséniure d’indium semi-conducteurs à la nanoéchelle, a annoncé Philips le 4 juillet. Les dispositifs permettent la fabrication de circuits électroniques supraconducteurs à la nanoéchelle novateurs et, en même temps, ils offrent des opportunités pour l’étude de phénomènes de transport quantique fondamentaux, explique-t-on chez Philips. L’équipe devrait présenter ses résultats dans l’édition de Science.

Les scientifiques ont montré que la combinaison de fils à la nanoéchelle semi-conducteurs à l’arséniure d’indium et de contacts supraconducteurs basés sur de l’aluminium donne des transistors supraconducteurs reproductibles. Malgré un grand nombre de systèmes et de dispositifs à matériau semi-conducteur, il s’est toujours avéré difficile de combiner des semi-conducteurs avec des matériaux supraconducteurs, principalement en raison des températures extrêmement basses requises pour la supraconductivité. Dans les dispositifs Kavli-Philips, un supracourant peut circuler à travers le nanofil depuis un contact supraconducteur jusqu’à l’autre. Cet effet quantique peut être décrit comme la « fuite » de paires de Cooper (paires d’électrons responsables de la supraconductivité) à partir des contacts supraconducteurs dans le nanofil semi-conducteur. En outre, ce supracourant peut être commandé par une tension de grille qui en fait un transistor à supracourant.

Philips et Kavli ont utilisé un procédé développé récemment pour la croissance des nanofils d’arséniure d’indium. La croissance des nanofils a été réalisée à partir de petites particules d’or par un procédé vapeur liquide solide. La taille des nanoparticules s’étalait de 10 à 100 nanomètres, ce qui a défini le diamètre des nanofils, indique-t-on chez Philips. La longueur des nanofils est proportionnelle au temps de croissance et peut facilement atteindre des dizaines de microns en fournissant un taux d’aspect convenable pour la fabrication du dispositif post-croissance, ajoute-t-on chez Philips.

Le rendement des dispositifs supraconducteurs est suffisamment élevé pour permettre à des circuits supraconducteurs d’inclure plusieurs dispositifs à nanofils de Kavli-Philips. Philips suggère que deux dispositifs à nanofils puissent être utilisés pour fabriquer un détecteur d’énergie quantique à supraconducteur (SQUID) électriquement ajustable. Une deuxième possibilité serait la création d’une diode électroluminescente à nanofil, qui pourrait être fabriquée en alternant la vapeur semi-conductrice entre un matériau dopé en n et en p pendant la croissance. Cela pourrait être utilisé pour transférer les informations quantiques des électrons aux photons.