Come studente di dottorato all'università di Harvard, l'ingegnere Sindy KY Tang ha studiato con il famoso chimico George M. Whitesides, un pioniere delle nanoscienze, un campo che ora informa tutto, dall'elettronica alla diagnostica medica. Mentre Tang faceva parte del suo team, Whitesides era coinvolto in un progetto DARPA per trovare il modo di codificare i messaggi nei batteri. Nel sistema sviluppato da lui e dai suoi colleghi, i messaggi potevano essere codificati come punti di batteri su una piastra e decodificati aggiungendo un particolare agente chimico che, quando incontrava i batteri, causava un bagliore fluorescente. Il modello potrebbe quindi essere tradotto per rivelare un messaggio segreto.
Quattro anni dopo, Tang applica la stessa idea nel suo laboratorio di Stanford, dove è assistente professore di ingegneria meccanica. Ma invece di inviare messaggi avanti e indietro, sta usando la chimica per individuare i contaminanti nell'acqua. Quando viene lasciato cadere in un ruscello o in un pozzo, il suo dispositivo, un prototipo che è stato recentemente descritto nella rivista Lab on a Chip, produce un codice a barre che indica sia la concentrazione che la posizione degli inquinanti, come il piombo, nell'acqua: non è necessaria elettricità.
Il dispositivo, che ha attualmente le dimensioni di un mignolo, facilita una reazione chimica controllata mentre si muove attraverso l'acqua. L'alloggiamento in silicone trasparente contiene due tubi sottili, ciascuno riempito con un composto di gel. Un'estremità di ciascun tubo si collega a un serbatoio contenente una sostanza chimica reagente; l'altra estremità è aperta all'ambiente, in modo che l'acqua possa penetrare nel dispositivo.
La sostanza chimica nel serbatoio si muove attraverso i tubi di gel a una velocità prevedibile. Mentre il dispositivo si sposta lungo un flusso, l'acqua scorre nel gel dall'altro lato. Se è presente la sostanza chimica sottoposta a screening - in questo caso iniziale, piombo - si verifica una reazione che crea un segno insolubile e visibile nel tubo. Questi segni creano un codice a barre che gli scienziati possono leggere per determinare la quantità e la posizione del piombo in un particolare approvvigionamento idrico.
Il team di Tang ha eseguito con successo test con due diversi campioni di acqua, entrambi in bicchieri nel suo laboratorio. I ricercatori hanno aggiunto lentamente piombo ai campioni d'acqua, uno dal laboratorio e l'altro da un pericolo d'acqua sul campo da golf di Stanford, e poi sono stati in grado di vedere le loro aggiunte codificate sul sensore in seguito. Prima di poter testare le capsule sul campo, tuttavia, dovranno creare un modo per raccoglierle dopo la distribuzione. Una possibile soluzione sarebbe quella di aggiungere piccole particelle magnetiche nella custodia in silicone e utilizzare un magnete per pescarle dall'altra parte.
Al momento, il sensore non è ancora molto preciso. "Il nostro limite di rilevamento è molto elevato, quindi non saremo in grado di rilevare [piombo] fino a quando non sarà già molto concentrato", spiega Tang. E la sua chimica è solo in grado di rilevare il piombo a questo punto. Ma, andando avanti, la capsula potrebbe essere modificata per verificare la presenza di altri contaminanti comuni. La calotta in silicone potrebbe contenere più provette sintonizzate per diversi contaminanti, come mercurio e alluminio, consentendo agli utenti di effettuare uno screening ad ampio spettro in un test. Tang sottolinea che il dispositivo è ancora solo una prova di concetto ed è tutt'altro che implementabile. "Volevamo mostrare come avrebbe funzionato l'idea, che puoi usarla e applicare altra chimica", afferma.
Se avesse successo, il sistema di Tang avrebbe risolto un grosso enigma di prova dell'acqua. L'attuale prototipo rappresenta la prima volta che chiunque è stato in grado di rilevare più di una risposta "sì o no" sulla contaminazione da metalli pesanti nelle fonti d'acqua. I metodi attuali, come il telecomando portatile chiamato ANDalyze, devono rimuovere campioni da una fonte d'acqua per il test. In tal caso, spiega, gli utenti possono identificare la presenza di metalli, ma non hanno alcun mezzo per isolare la loro fonte nell'approvvigionamento idrico. Anche se i sensori potrebbero spostarsi in fessure e fessure per raggiungere le acque sotterranee, la delicatezza dei componenti elettronici significa anche che potrebbero non sopravvivere bene sottoterra, dove il calore e la pressione aumentano in modo significativo.
Alle sue attuali dimensioni, il sensore di Tang potrebbe essere usato per trovare inquinanti e le loro fonti nei flussi, ma portare il sistema su una scala nanometrica - circa un millimetro - è il suo obiettivo finale. "La vera motivazione originale era la necessità di rilevare il sottosuolo, dove si avrebbe un buco o un pozzo in cui non è possibile disperdere i sensori e collezionarli [dall'altra parte [utilizzando la tecnologia attuale]", spiega. Come Tang ha detto a Stanford News, "Le capsule dovrebbero essere abbastanza piccole da adattarsi alle fessure negli strati rocciosi e abbastanza robuste da sopravvivere al calore, alla pressione e al duro ambiente chimico sotterraneo". Un altro grande pezzo del puzzle: Tang isn non sono ancora sicuro di come raccogliere i sensori dopo la dispersione.
C'è molta acqua da schermare. Secondo la Environmental Protection Agency, circa il 95% di tutte le risorse di acqua dolce negli Stati Uniti sono sotterranee. Tali fonti sono sensibili a un'ampia varietà di inquinanti che penetrano nell'offerta da impianti idraulici, industria e rifiuti generici. Ci può anche essere una buona quantità di farmaci da prescrizione anche lì.
In definitiva, il processo di miniaturizzazione, che secondo Tang è ancora lontano, potrebbe anche generare un cambiamento nel design. Invece di tubi lineari che corrono in parallelo, i sensori delle dimensioni di un millimetro sarebbero punti rotondi, afferma. In tal caso, il codice a barre si presenterebbe come cerchi anziché strisce, "come anelli su un albero", dice.
