Som doktorgradsstudent ved Harvard University studerte ingeniør Sindy KY Tang under den kjente kjemikeren George M. Whitesides - en pioner innen nanovitenskap, et felt som nå informerer alt fra elektronikk til medisinsk diagnostikk. Mens Tang var med på teamet sitt, var Whitesides involvert i et DARPA-prosjekt for å finne måter å kode meldinger i bakterier på. I systemet han og kollegene utviklet, kunne meldinger kodes som prikker av bakterier på en tallerken og avkodes ved å tilsette et bestemt kjemisk middel som, når det møtte bakteriene, ville føre til en blomstrende glød. Mønsteret kan deretter oversettes for å avsløre en hemmelig melding.
Fire år senere bruker Tang den samme ideen i laboratoriet hennes i Stanford, der hun er adjunkt i maskinteknikk. Men i stedet for å sende meldinger frem og tilbake, bruker hun kjemi for å oppdage forurensninger i vann. Når enheten slippes ned i en strøm eller en brønn, produserer enheten hennes, en prototype som nylig ble beskrevet i tidsskriftet Lab on a Chip, en strekkode som indikerer både konsentrasjonen og hvor forurensninger, som bly, er i vann - ingen strøm nødvendig.
Enheten, som for tiden er på størrelse med en lyserød finger, letter en kontrollert kjemisk reaksjon når den beveger seg gjennom vann. Det klare silikonhuset inneholder to tynne rør, hver fylt med en gelforbindelse. Den ene enden av hvert rør kobles til et reservoar som inneholder et reaktantkjemisk stoff; den andre enden er åpen for miljøet, slik at vann kan sive inn i enheten.
Kjemikaliet i reservoaret beveger seg gjennom gelrørene med en forutsigbar hastighet. Når enheten beveger seg nedover en strøm, strømmer vann inn i gelen fra den andre siden. Hvis kjemikaliet som screenes for er til stede - i dette første tilfellet, bly - finner en reaksjon sted, og skaper et uoppløselig, synlig merke i røret. Disse merkingene lager en strekkode som forskere kan lese for å bestemme mengden og plasseringen av bly i en bestemt vannforsyning.
Tangs team har med hell kjørt tester med to forskjellige vannprøver, begge i begerglass på laboratoriet hennes. Forskerne la sakte bly til vannprøvene, den ene fra laboratoriet og den andre fra en vannfare på Stanford golfbane, og deretter kunne se deres tillegg kodet på sensoren etterpå. Før de kan teste kapslene i feltet, vil de imidlertid måtte sette opp en måte å samle dem på etter utplassering. En mulig løsning vil være å tilsette små magnetiske partikler i silikonhuset og bruke en magnet til å fiske dem ut på den andre siden.
Akkurat nå er sensoren fremdeles ikke veldig presis. "Deteksjonsgrensen vår er veldig høy, så vi vil ikke kunne oppdage [bly] før den allerede er veldig konsentrert, " forklarer Tang. Og kjemien er bare i stand til å oppdage bly på dette tidspunktet. Men fremover kan kapselet modifiseres for å se etter andre vanlige forurensninger. Silikonskallet kan inneholde flere rør som er innstilt for forskjellige forurensninger, for eksempel kvikksølv og aluminium, slik at brukerne kan gjennomføre en bredspektrumscreening i en test. Tang understreker at enheten fremdeles bare er et bevis på konsept og er langt fra implementering. "Vi ønsket å vise hvordan ideen ville fungere - at du kan bruke den og anvende annen kjemi, " sier hun.
Hvis det lykkes, ville Tang's system løse et stort vanntestingspuslespill. Den nåværende prototypen representerer første gang noen har kunnet oppdage mer enn et "ja eller nei" svar om tungmetallforurensning i vannkilder. Gjeldende metoder, for eksempel den håndholdte fjernkontrollen kalt ANDalyze, må fjerne prøver fra en vannkilde for testing. I det tilfellet, forklarer hun, kan brukere identifisere tilstedeværelsen av metaller, men har ingen midler til å isolere kilden i vannforsyningen. Selv om sensorene kunne bevege seg i sprekker og sprekker for å nå grunnvann, betyr delikatessen til de elektroniske komponentene også at de kanskje ikke overlever godt under jorden, der varme og trykk stiger betydelig.
I sin nåværende størrelse kunne Tangs sensor brukes til å finne forurensninger og deres kilder i bekker, men å få systemet ned til et nanoskala - omtrent en millimeter - er hennes endelige mål. "Den virkelige originale motivasjonen var i behovet for å føle under jorden, hvor du ville ha et hull eller en brønn hvor du umulig kan spre sensorer og samle [dem] i den andre enden [ved hjelp av dagens teknologi], " forklarer hun. Som Tang fortalte Stanford News, “Kapslene måtte være små nok til å passe gjennom sprekkene i fjellagene, og være robuste nok til å overleve varmen, trykket og det harde kjemiske miljøet under bakken.” En annen stor del av puslespillet: Tang isn er ennå ikke sikker på hvordan man samler sensorene etter spredning.
Det er rikelig med vann å skjermen. Ifølge Environmental Protection Agency er rundt 95 prosent av alle ferskvannressursene i USA underjordisk. Disse kildene er mottakelige for et bredt utvalg av forurensende stoffer som strømmer inn i forsyningen fra avløp, industri og generelt avfall. Det kan også være en god del reseptbelagte medisiner der også.
Til syvende og sist kan miniatyriseringsprosessen, som Tang fremdeles er mange år unna, også avle en endring i design. I stedet for lineære rør som går parallelt, ville sensorene på millimeter være runde prikker, utgjør hun. I så fall ville strekkoden presentere seg som sirkler i stedet for striper, "som ringer på et tre, " sier hun.
