Ως φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο μηχανικός Sindy KY Tang σπούδασε κάτω από το φημισμένο χημικό Γιώργο Μ. Whitesides, έναν πρωτοπόρο στη νανοεπιστήμη, έναν τομέα που ενημερώνει τώρα όλα από την ηλεκτρονική μέχρι την ιατρική διάγνωση. Ενώ ο Tang ήταν στην ομάδα του, ο Whitesides συμμετείχε σε ένα έργο DARPA για να βρει τρόπους κωδικοποίησης μηνυμάτων στα βακτηρίδια. Στο σύστημα που ανέπτυξαν μαζί με τους συναδέλφους του, τα μηνύματα θα μπορούσαν να κωδικοποιηθούν ως σημεία βακτηρίων σε ένα πιάτο και να αποκωδικοποιηθούν με την προσθήκη ενός συγκεκριμένου χημικού παράγοντα που, όταν συναντούσε τα βακτηρίδια, θα προκαλούσε μια φθορίζουσα λάμψη. Το πρότυπο θα μπορούσε τότε να μεταφραστεί για να αποκαλύψει ένα μυστικό μήνυμα.
Τέσσερα χρόνια αργότερα, η Τανγκ εφαρμόζει την ίδια ιδέα στο εργαστήριό της στο Στάνφορντ, όπου είναι βοηθός καθηγητής μηχανικής. Αλλά αντί να στέλνει μηνύματα εμπρός και πίσω, χρησιμοποιεί χημεία για να εντοπίσει μολυντές στο νερό. Όταν έπεσε σε ένα ρεύμα ή πηγάδι, η συσκευή της, ένα πρωτότυπο που περιγράφηκε πρόσφατα στο περιοδικό Lab on a Chip, παράγει ένα γραμμωτό κώδικα που υποδεικνύει τόσο τη συγκέντρωση όσο και την τοποθεσία ρύπων, όπως ο μόλυβδος, στο νερό - χωρίς ηλεκτρική ενέργεια.
Η συσκευή, η οποία επί του παρόντος έχει μέγεθος περίπου ενός μικρού δακτύλου, διευκολύνει μια ελεγχόμενη χημική αντίδραση καθώς μετακινείται μέσω του νερού. Το διαφανές περίβλημα σιλικόνης περιέχει δύο λεπτούς σωλήνες, ο καθένας γεμίζεται με μια ένωση πηκτής. Το ένα άκρο του κάθε σωλήνα συνδέεται με μια δεξαμενή που περιέχει ένα χημικό αντιδραστήριο. το άλλο άκρο είναι ανοικτό στο περιβάλλον, έτσι ώστε το νερό να μπορεί να εισχωρήσει στη συσκευή.
Η χημική ουσία στη δεξαμενή κινείται μέσω των σωλήνων του πηκτώματος με προβλέψιμο ρυθμό. Καθώς η συσκευή μετακινείται προς τα κάτω σε ένα ρεύμα, το νερό ρέει στο πήκτωμα από την άλλη πλευρά. Εάν το υπό εξέταση χημικό είναι παρόν - σε αυτή την αρχική περίπτωση, το μόλυβδο - λαμβάνει χώρα μια αντίδραση, δημιουργώντας ένα αδιάλυτο, ορατό σημάδι στο σωλήνα. Αυτές οι σημάνσεις δημιουργούν ένα barcode που οι επιστήμονες μπορούν να διαβάσουν για να καθορίσουν την ποσότητα και τη θέση του μολύβδου σε μια συγκεκριμένη παροχή νερού.
Η ομάδα του Τανγκ έχει εκτελέσει επιτυχώς δοκιμές με δύο διαφορετικά δείγματα νερού, και στα δύο ποτήρια στο εργαστήριό της. Οι ερευνητές προστέθηκαν αργά σε δείγματα νερού, ένα από το εργαστήριο και το άλλο από έναν κίνδυνο νερού στο γήπεδο γκολφ Stanford, και έπειτα κατάφεραν να δουν τις προσθήκες τους κωδικοποιημένες στον αισθητήρα μετά. Ωστόσο, πριν μπορέσουν να δοκιμάσουν τις κάψουλες στο πεδίο, θα πρέπει να δημιουργήσουν έναν τρόπο συλλογής τους μετά την ανάπτυξη. Μία πιθανή λύση θα ήταν να προστεθούν μικρά μαγνητικά σωματίδια μέσα στο περίβλημα σιλικόνης και να χρησιμοποιηθεί ένας μαγνήτης για να τα αλιεύσουν στην άλλη πλευρά.
Αυτή τη στιγμή, ο αισθητήρας εξακολουθεί να μην είναι πολύ ακριβής. "Το όριο ανίχνευσης είναι πολύ υψηλό, οπότε δεν θα μπορέσουμε να εντοπίσουμε [lead] μέχρι να είναι ήδη πολύ συγκεντρωμένος", εξηγεί ο Tang. Και η χημεία της είναι σε θέση μόνο να ανιχνεύσει μόλυβδο σε αυτό το σημείο. Αλλά, προς τα εμπρός, η κάψουλα θα μπορούσε να τροποποιηθεί για να ελέγξει για άλλους συνήθεις ρύπους. Το κέλυφος σιλικόνης θα μπορούσε να περιέχει πολλαπλούς σωλήνες συντονισμένους για διαφορετικούς μολυντές, όπως ο υδράργυρος και το αλουμίνιο, επιτρέποντας στους χρήστες να διεξάγουν ένα ευρύ φάσμα διαλογής σε μία δοκιμή. Ο Tang τονίζει ότι η συσκευή εξακολουθεί να αποτελεί μόνο απόδειξη της ιδέας και απέχει πολύ από την εφαρμογή. «Θέλαμε να δείξουμε πώς θα λειτουργήσει η ιδέα - ότι μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε και να εφαρμόσετε άλλη χημεία», λέει.
Εάν είναι επιτυχής, το σύστημα του Τανγκ θα λύσει ένα μεγάλο παζλ δοκιμής νερού. Το τρέχον πρωτότυπο αντιπροσωπεύει την πρώτη φορά που κάποιος μπόρεσε να ανιχνεύσει κάτι περισσότερο από μια απάντηση «ναι ή όχι» σχετικά με τη μόλυνση βαρέων μετάλλων σε πηγές νερού. Οι τρέχουσες μέθοδοι, όπως το τηλεχειριστήριο χειρός που ονομάζεται ANDalyze, πρέπει να αφαιρούν δείγματα από μια πηγή νερού για έλεγχο. Σε αυτή την περίπτωση, εξηγεί, οι χρήστες μπορούν να αναγνωρίσουν την παρουσία μετάλλων, αλλά δεν έχουν κανένα μέσο για να απομονώσουν την πηγή τους στην παροχή νερού. Ακόμα κι αν οι αισθητήρες μπορούν να μετακινηθούν σε ρωγμές και σχισμές για να φτάσουν στα υπόγεια ύδατα, η λεπτότητα των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων σημαίνει επίσης ότι δεν μπορούν να επιβιώσουν καλά υπόγεια, όπου η θερμότητα και η πίεση αυξάνονται σημαντικά.
Στο σημερινό της μέγεθος, ο αισθητήρας του Τανγκ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να βρει ρύπους και τις πηγές τους σε ρεύματα, αλλά το τελικό στόχο είναι να πάρει το σύστημα σε μια νανοκλίμακα - περίπου ένα χιλιοστό. "Το πραγματικό αρχικό κίνητρο ήταν στην ανάγκη να αισθάνεσαι υπόγεια, όπου θα έχεις μια τρύπα ή πηγάδι όπου δεν μπορείς να διασκορπίσεις αισθητήρες και να τις συγκεντρώσεις στο άλλο άκρο [χρησιμοποιώντας την τρέχουσα τεχνολογία]" εξηγεί. Όπως δήλωσε ο Τανγκ στο Stanford News, "Οι κάψουλες θα πρέπει να είναι αρκετά μικρές ώστε να ταιριάζουν στις ρωγμές των στρώσεων των βράχων και να είναι αρκετά ανθεκτικές ώστε να επιβιώσουν από τη θερμότητα, την πίεση και το σκληρό χημικό περιβάλλον κάτω από το έδαφος." Ένα άλλο μεγάλο κομμάτι του παζλ: Δεν είστε σίγουροι πώς να συλλέγετε τους αισθητήρες μετά τη διασπορά.
Υπάρχει άφθονο νερό για την οθόνη. Σύμφωνα με την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος, περίπου το 95% του συνόλου των πόρων γλυκού νερού στις ΗΠΑ είναι υπόγεια. Αυτές οι πηγές είναι ευαίσθητες σε μια ευρεία ποικιλία ρύπων που διεισδύουν στην παροχή από υδραυλικά, βιομηχανικά και γενικά απόβλητα. Μπορεί επίσης να υπάρχει μια δίκαιη ποσότητα συνταγογραφούμενων φαρμάκων και εκεί.
Τελικά, η διαδικασία μικρογράφησης, την οποία λέει η Tang, είναι ακόμη χρόνια μακριά, μπορεί επίσης να δημιουργήσει μια αλλαγή στο σχεδιασμό. Αντί των γραμμικών σωλήνων που εκτελούνται παράλληλα, οι αισθητήρες μεγέθους χιλιοστομέτρου θα είναι στρογγυλές κουκίδες, θέτει. Σε αυτή την περίπτωση, ο γραμμωτός κώδικας θα παρουσιαζόταν ως κύκλοι αντί για λωρίδες, "σαν δαχτυλίδια σε ένα δέντρο", λέει.
