En tant qu'étudiant en doctorat à l'Université Harvard, l'ingénieur Sindy KY Tang a étudié avec le célèbre chimiste George M. Whitesides, pionnier des nanosciences, un domaine qui informe désormais de tout, de l'électronique au diagnostic médical. Alors que Tang faisait partie de son équipe, Whitesides a participé à un projet de la DARPA visant à trouver des moyens d’encoder des messages dans des bactéries. Dans le système qu'il a mis au point avec ses collègues, les messages pourraient être codés sous forme de points de bactérie sur une plaque et décodés en ajoutant un agent chimique particulier qui, lorsqu'il rencontrait la bactérie, provoquerait une lueur fluorescente. Le motif pourrait alors être traduit pour révéler un message secret.
Quatre ans plus tard, Tang applique cette même idée dans son laboratoire à Stanford, où elle est professeur assistant en génie mécanique. Mais au lieu d’envoyer des messages, elle utilise la chimie pour détecter les contaminants dans l’eau. Lorsqu’il est tombé dans un ruisseau ou un puits, son appareil, un prototype récemment décrit dans le journal Lab on a Chip, produit un code à barres qui indique à la fois la concentration et la localisation des polluants, tels que le plomb, dans l’eau - aucune électricité nécessaire.
Le dispositif, qui a actuellement la taille d’un doigt de petit doigt, facilite la réaction chimique contrôlée lorsqu’il se déplace dans l’eau. Le boîtier en silicone transparent contient deux tubes minces, chacun rempli d'un composé de gel. Une extrémité de chaque tube se connecte à un réservoir contenant un réactif chimique; l'autre extrémité est ouverte sur l'environnement, de sorte que de l'eau puisse s'infiltrer dans l'appareil.
Le produit chimique dans le réservoir se déplace à travers les tubes de gel à une vitesse prévisible. Lorsque l'appareil descend un cours d'eau, l'eau pénètre dans le gel de l'autre côté. Si le produit chimique à examiner est présent - dans ce cas initial, le plomb - une réaction se produit, créant une marque visible insoluble dans le tube. Ces marques créent un code à barres que les scientifiques peuvent lire pour déterminer la quantité et l'emplacement du plomb dans un approvisionnement en eau particulier.
L'équipe de Tang a effectué avec succès des tests avec deux échantillons d'eau différents, tous deux dans des béchers de son laboratoire. Les chercheurs ont lentement ajouté du plomb aux échantillons d'eau, l'un du laboratoire et l'autre d'un obstacle d'eau sur le parcours de golf de Stanford, pour ensuite voir leurs ajouts codés sur le capteur. Avant de pouvoir tester les capsules sur le terrain, ils devront toutefois mettre en place un moyen de les récupérer après leur déploiement. Une solution possible serait d’ajouter de petites particules magnétiques dans le boîtier en silicone et d’utiliser un aimant pour les repérer de l’autre côté.
Pour le moment, le capteur n'est toujours pas très précis. «Notre limite de détection est très élevée, nous ne pourrons donc pas détecter le plomb tant qu'il ne sera pas déjà très concentré», explique Tang. Et sa chimie est seulement capable de détecter le plomb à ce stade. Mais, à l'avenir, la capsule pourrait être modifiée pour rechercher d'autres contaminants courants. L'enveloppe en silicone peut contenir plusieurs tubes réglés pour différents contaminants, tels que le mercure et l'aluminium, permettant aux utilisateurs d'effectuer un criblage à large spectre en un seul test. Tang souligne que l'appareil n'est encore qu'une preuve de concept et qu'il est loin d'être mis en œuvre. «Nous voulions montrer comment l’idée fonctionnerait: vous pouvez l’utiliser et appliquer une autre chimie», dit-elle.
En cas de succès, le système de Tang résoudrait un grand casse-tête d'analyse de l'eau. Le prototype actuel représente la première fois que quiconque est en mesure de détecter plus qu'une réponse «oui ou non» à la contamination par les métaux lourds dans les sources d'eau. Les méthodes actuelles, telles que la télécommande portable appelée ANDalyze, doivent prélever des échantillons d’une source d’eau pour les tester. Dans ce cas, explique-t-elle, les utilisateurs peuvent identifier la présence de métaux, mais n'ont aucun moyen d'isoler leur source dans l'approvisionnement en eau. Même si les capteurs pouvaient se déplacer dans des fissures et atteindre la nappe phréatique, la délicatesse des composants électroniques signifie également qu'ils risquent de ne pas bien survivre sous terre, où la chaleur et la pression augmentent considérablement.
À sa taille actuelle, le capteur de Tang pourrait être utilisé pour rechercher les polluants et leurs sources dans les cours d'eau, mais son objectif ultime est de réduire le système à une échelle nanométrique - environ un millimètre. «La véritable motivation initiale était la nécessité de détecter sous terre, où vous auriez un trou ou un puits où vous ne pourriez pas disperser les capteurs et les collecter à l'autre bout [en utilisant la technologie actuelle]», explique-t-elle. Comme Tang a déclaré à Stanford News : «Les capsules devraient être suffisamment petites pour passer à travers les fissures des couches rocheuses et suffisamment robustes pour résister à la chaleur, à la pression et à l'environnement chimique souterrain.» Un autre élément important du puzzle: Tang isn Vous ne savez pas encore comment collecter les capteurs après la dispersion.
Il y a beaucoup d'eau à filtrer. Selon l’Environmental Protection Agency, environ 95% de toutes les ressources en eau douce des États-Unis sont souterraines. Ces sources sont sensibles à une grande variété de polluants qui pénètrent dans la plomberie, l'industrie et les déchets en général. Il peut également y avoir une quantité non négligeable de médicaments sur ordonnance.
En fin de compte, le processus de miniaturisation, qui, selon Tang, n’est pas encore terminé, pourrait également engendrer un changement de conception. Selon elle, au lieu de tubes linéaires parallèles, les capteurs de taille millimétrique seraient des points ronds. Dans ce cas, le code à barres se présenterait sous forme de cercles au lieu de rayures, «comme des anneaux sur un arbre», dit-elle.
