Som ph.d.-studerende ved Harvard University studerede ingeniør Sindy KY Tang hos den berømte kemiker George M. Whitesides - en pioner inden for nanovidenskab, et felt, der nu informerer alt fra elektronik til medicinsk diagnostik. Mens Tang var på sit team, var Whitesides involveret i et DARPA-projekt for at finde måder at kode budskaber i bakterier på. I det system, han og hans kolleger udviklede, kunne meddelelser kodes som prikker af bakterier på en plade og afkodes ved at tilføje et bestemt kemisk middel, der, når det mødte bakterierne, ville forårsage en blomstrende lys. Mønsteret kunne derefter oversættes for at afsløre en hemmelig besked.
Fire år senere anvender Tang den samme idé i sit laboratorium i Stanford, hvor hun er adjunkt i maskinteknik. Men i stedet for at sende beskeder frem og tilbage, bruger hun kemi til at opdage forurenende stoffer i vand. Når hendes enhed, en prototype, der for nylig blev beskrevet i tidsskriftet Lab on a Chip, er faldet ned i en strøm eller en brønd, producerer en stregkode, der angiver både koncentrationen og tilholdsstedet for forurenende stoffer, såsom bly, i vand - ingen elektricitet nødvendigt.
Enheden, som i øjeblikket er på størrelse med en lyserød finger, letter en kontrolleret kemisk reaktion, når den bevæger sig gennem vand. Det klare silikonehus indeholder to tynde rør, der hver er fyldt med en gelforbindelse. Den ene ende af hvert rør forbindes til et reservoir, der indeholder et reaktantkemikalie; den anden ende er åben for miljøet, så vand kan sive ind i enheden.
Kemikaliet i reservoiret bevæger sig gennem gelrørene med en forudsigelig hastighed. Når enheden bevæger sig ned ad en strøm, strømmer vand ind i gelen fra den anden side. Hvis det kemikalie, der screenes for, er til stede - i dette første tilfælde, bly - finder en reaktion sted, hvilket skaber et uopløseligt, synligt mærke i røret. Disse markeringer skaber en stregkode, som forskere kan læse for at bestemme mængden og placeringen af bly i en bestemt vandforsyning.
Tangs team har med succes kørt test med to forskellige vandprøver, begge i bægerglas i sit laboratorium. Forskerne tilføjede langsomt bly til vandprøverne, den ene fra laboratoriet og den anden fra en vandfare på Stanford golfbane, og så de kunne se deres tilføjelser kodet på sensoren bagefter. Før de kan teste kapslerne i marken, er de imidlertid nødt til at opsætte en måde at opsamle dem efter installationen. En mulig løsning ville være at tilføje små magnetiske partikler i silikonhuset og bruge en magnet til at fiske dem ud på den anden side.
Lige nu er sensoren stadig ikke særlig præcis. ”Vores detektionsgrænse er meget høj, så vi kan ikke registrere [bly], før den allerede er meget koncentreret, ” forklarer Tang. Og dens kemi er kun i stand til at registrere bly på dette tidspunkt. Men fremadrettet kan kapslen ændres for at kontrollere for andre almindelige forurenende stoffer. Silikonskallen kunne indeholde flere rør, der er indstillet til forskellige forurenende stoffer, såsom kviksølv og aluminium, så brugerne kan gennemføre en bredspektret screening i en test. Tang understreger, at enheden stadig kun er et bevis på koncept og langt fra er implementeret. ”Vi ønskede at vise, hvordan ideen ville fungere - at du kan bruge den og anvende anden kemi, ” siger hun.
Hvis det lykkes, ville Tang's system løse et stort vandtestenpuslespil. Den aktuelle prototype repræsenterer første gang nogen har kunnet registrere mere end et ”ja eller nej” svar om tungmetalkontaminering i vandkilder. Nuværende metoder, såsom den håndholdte fjernbetjening kaldet ANDalyze, skal fjerne prøver fra en vandkilde til test. I dette tilfælde, forklarer hun, kan brugerne identificere tilstedeværelsen af metaller, men har ingen midler til at isolere deres kilde i vandforsyningen. Selv hvis sensorerne kunne bevæge sig i revner og sprækker for at nå grundvand, betyder de elektroniske komponenters delikatesse også, at de måske ikke overlever godt under jorden, hvor varme og tryk stiger markant.
I sin nuværende størrelse kunne Tang's sensor bruges til at finde forurenende stoffer og deres kilder i vandløb, men at få systemet ned på en nanoskala - cirka en millimeter - er hendes endelige mål. "Den ægte oprindelige motivation var i behovet for at mærke under jorden, hvor du ville have et hul eller godt, hvor du umuligt kan sprede sensorer og samle [dem] i den anden ende [ved hjælp af nuværende teknologi], " forklarer hun. Som Tang fortalte Stanford News, “Kapslerne skulle være små nok til at passe gennem revnerne i klippelagene og være robuste nok til at overleve varmen, trykket og det barske kemiske miljø under jorden.” Et andet stort stykke af puslespillet: Tang isn er endnu ikke sikker på, hvordan sensorer skal opsamles efter spredning.
Der er masser af vand at skærme. Ifølge Environmental Protection Agency er omkring 95 procent af alle ferskvandsressourcerne i USA under jorden. Disse kilder er modtagelige for en lang række forurenende stoffer, der trænger ind i forsyningen fra VVS, industri og almindeligt affald. Der kan også være en rimelig mængde receptpligtig medicin derinde.
I sidste ende kan miniaturiseringsprocessen, som Tang siger, at den stadig er flere år væk, muligvis også skabe en ændring i design. I stedet for lineære rør, der løber parallelt, ville de sensorer, der var i millimeter, være runde prikker, udgør hun. I så fald ville stregkoden præsentere sig som cirkler i stedet for striber, "som ringe på et træ, " siger hun.
