Détecteur en graphène : une protéine sous tension express
Dans une goutte de sang flottent des millions de molécules d'albumine, la principale protéine de transport. Son taux chute lors de maladies rénales ou hépatiques, d'où le besoin d'une mesure rapide et précise. Des ingénieurs ont proposé un détecteur de la taille d'un grain de poussière : un transistor en graphène fonctionnant directement dans le liquide.
Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Il est si sensible que même une seule molécule qui s'y colle modifie sa résistance électrique. Dans le nouveau capteur, le graphène est plongé dans une solution contenant la protéine, et une faible tension (moins d'un volt) est appliquée par-dessus. Les molécules d'albumine, chargées négativement, en se déposant sur le graphène agissent comme une minuscule grille chimique : elles déplacent le point de conductivité minimale, appelé tension de Dirac. Plus il y a de protéine, plus le décalage est important.
La modélisation informatique a montré que la protéine se pose sur le graphène de différentes façons, comme une clé que l'on peut insérer dans une serrure de plusieurs manières. Mais ce ne sont pas des liaisons chimiques qui la maintiennent, plutôt de faibles forces de van der Waals – les mêmes qui permettent au gecko de courir au plafond. Malgré cette douceur, le capteur détecte des concentrations de 0,01 à 30 milligrammes par millilitre, avec une limite de détection de seulement 0,0087 mg/ml. C'est comme trouver un grain de sel dans une baignoire d'eau.
Le secret principal de la sensibilité, c'est le désordre. Lorsque la protéine se fixe sur le graphène, elle crée des irrégularités dans le champ électrique, et les électrons se dispersent davantage. Cet effet amplifie le signal, rendant même les faibles concentrations visibles. Ce mécanisme « bruyant » rappelle le fonctionnement d'un amplificateur dans un vieux poste de radio : un signal faible module un courant plus puissant. Les ingénieurs ont utilisé ce principe pour tirer le maximum d'un dispositif simple.
Au final, le transistor en graphène se transforme en gardien de santé de poche : une goutte de sang, une seconde – et le taux d'albumine est connu. Et au passage, nous comprenons mieux comment les molécules interagissent avec les matériaux bidimensionnels à l'interface entre liquide et solide.
Le graphène est 200 fois plus résistant que l'acier, mais il est si fin que la lumière le traverse presque sans perte – une seule couche n'absorbe que 2,3 % de la lumière.
Dans le roman « Minority Report » de Philip K. Dick, les criminels sont identifiés par une goutte de sang bien avant le crime – de tels capteurs pourraient être un premier pas vers un diagnostic médical instantané du futur.