Smart Dust Senses Biowaffen

Ist Ihnen schon einmal der Glanz eines Käferflügels aufgefallen? Wenn ja, war Sie wahrscheinlich von seinem ungewöhnlichen Schillern beeindruckt. Trotz allem, was Ihr Auge sieht, ist diese Farbe jedoch keine natürliche. Käfer haben kein Pigment, sagt Michael Sailor, Professor an der Fakultät für Chemie und Biochemie an der University of California in San Diego. Stattdessen, erklärt er, wird die Farbe durch zwei andere Eigenschaften erzeugt: optische Interferenzen – das gleiche Phänomen hinter den Farben in Regenbogen und Seifenblasen – und kunstvolle Strukturen in der Flügeloberfläche.

Durch die künstliche Nachahmung dieses Phänomens beabsichtigt Sailor mehr als nur Regenbögen zu machen. Mit Mitteln der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) arbeitet er daran, Nanopartikel mit schillernden Farben in Fingerabdrücke zu verwandeln, die Sprengstoffen und anderen Chemikalien hinzugefügt werden können . Er arbeitet auch daran, dass die Partikel die Signaturfarben reflektieren, wenn sie auf bestimmte Krankheitserreger in der Luft oder im Wasser treffen – um einen billigen Einwegsensor zum Aufspüren chemischer und biologischer Waffen zu entwickeln.

Um die Partikel, die Sailor Smart Dust nennt, zu machen, erzeugt er zunächst einen Lichtfilter in der Oberfläche eines etwa ein Viertel großen Siliziumwafers. Er legt den Wafer in eine leitfähige Lösung und korrodiert ihn dann elektrochemisch mit Wechselstrom. Sailor sagt, während [die Korrosion] sich in das Silizium bohrt, wird es zu Engpässen und öffnet sich wieder, dann Engpässe und öffnet sich wieder. Das Ergebnis ist ein fein geätztes Netzwerk paralleler Poren mit einem Durchmesser von etwa zwei Nanometern. Mit Ultraschallschwingungen zerbröckelt Sailor den Wafer dann in etwa haarbreite Partikel.



In Luft oder Wasser verteilt streuen gewöhnliche Staubpartikel das Licht in alle Richtungen. Aber mit Laser beleuchtet, erklärt Sailor, sieht der smarte Staub ganz anders aus. Sie erhalten diese eine scharfe, sehr präzise Lichtwellenlänge für einen bestimmten Winkel, die auf diese Oberfläche eindringt und von dieser Oberfläche abprallt, sagt er. Die resultierenden Farben sind unglaublich lebendig, stark [und] stark reflektierend. Durch Variation des Stroms, der Dauer des Prozesses und der Zusammensetzung der Lösung kann Sailor Filter erstellen, die Millionen spezifischer Farben erzeugen. Jede Farbe wird durch den Brechungsindex dieser komplexen Schichten im Silizium bestimmt. Sailor sagt, der Brechungsindex sei wie ein Strichcode, den ein Laser lesen könne, um die Zusammensetzung des Staubs zu bestimmen.

Die Arbeit von Sailor hat das Interesse der DARPA aufgrund ihrer Anwendungen auf dem Schlachtfeld und zur Terrorismusbekämpfung geweckt. Die Partikel könnten als Markierung auf bestimmte Materialien zur Bombenherstellung angebracht werden, sodass Ermittler bei einer Explosion einen Tatort nach bestimmten Smart-Dust-Partikeln absuchen können. Die meisten Sachen, die bei terroristischen Aktivitäten verwendet werden, werden von legitimen Zwecken abgelenkt, sagt Sailor. Wenn verschiedene Hersteller eindeutig codierten intelligenten Staub einbauten, würde die am Bombenort gefundene Staubart anzeigen, wo das Bombenmaterial gekauft wurde, und einen Hinweis auf die Identität der Terroristen geben, die die Bombe hergestellt haben.

Ähnliche Taktiken können verwendet werden, um Materialien aufzuspüren, die zur Herstellung illegaler Drogen verwendet werden. Sailor sagt, dass Händler und illegale Hersteller sogenannte Vorläufer aus legitimen Chemikalienlagern kaufen. Wenn diese Agenten mit anders codiertem Smart Dust behandelt würden, wäre es viel einfacher, das Medikament bis zum ursprünglichen Lager und dann zum Käufer zurückzuverfolgen.

Während intelligenter Staub als einzigartiger chemischer Fingerabdruck dienen kann, könnte er als Sensor noch nützlicher sein, sagt Sailor. Das liegt daran, dass die Partikel das Licht in Gegenwart bestimmter Chemikalien unterschiedlich reflektieren können – eine Änderung, die chemische und biologische Verunreinigungen, einschließlich Umweltverschmutzung und biologische Waffen, identifizieren kann.

Als Demonstration kodierte Sailor den Staub, um MTBE, ein Additiv in Benzin, zu erkennen. MTBE wird biologisch nicht zerstört, sagt Sailor, so dass es, wenn es einmal im Boden ist, dort bleibt und leicht ins Trinkwasser gelangen kann. Ein Unternehmen namens Trex Industries hat das Verfahren lizenziert und entwickelt die Technologie zur Überwachung von Schadstoffen und Pestiziden.

Giftige Nervengifte wie Sarin, die Chemikalie, die beim Angriff auf die U-Bahn in Tokio von der Aum-Shinrikyo-Sekte verwendet wurde, reagieren besonders empfindlich auf intelligenten Staub. Da Pestizide wie DDT Nervengasen chemisch ähnlich sind, können die Partikel laut Sailor auch darauf vorbereitet werden, sie zu erkennen.

Smart Dust kann auf verschiedene Weise eingesetzt werden. Für Umweltanwendungen, sagt Sailor, kann der Staub auf Wände gestreut oder in Farbe aufgetragen werden, die Oberflächen beschichtet. Die behandelte Oberfläche würde dann aufleuchten, wenn beispielsweise Gasdämpfe in der Luft einer Ölverarbeitungsanlage unerwünschte Werte erreichen. In Kampfszenarien, sagt er, wäre es einfach, die Flügel einer Drohne mit dem Staub zu bemalen, sie durch Luft zu fliegen, die möglicherweise mit Nervengasen beladen ist, und sie aus sicherer Entfernung mit einem Laser zu treffen. In terroristischen Situationen wie dem World Trade Center, sagt Sailor, könnten Roboter mit dem Staub bemalt, mit einer selbstüberwachenden Kamera ausgestattet und in ein zerstörtes Gebäude geschickt werden, um Erdgaslecks zu entdecken. Eine ähnliche Taktik könnte verwendet werden, um tödliche Stoffe wie Milzbrand aufzuspüren, die ein Gebäude kontaminiert haben könnten.

Derzeit ist der Staub mit Lasern aus mehr als 25 Metern Entfernung nicht zu erkennen. Für Umweltanwendungen ist das kein Problem, aber für den Einsatz auf dem Schlachtfeld eine große Hürde. Also arbeiten Sailor und sein Team daran, den Staub auf einen Kilometer oder mehr nachweisbar zu machen – und sagen, dass sie innerhalb eines Jahres erfolgreich sein könnten. Sie arbeiten auch daran, dass der Smart Dust seine Eigenschaften auch unter rauen Außenbedingungen oder sogar bei einer Explosion behält. Gelingt ihm das, hat Sailor das Gesamtpaket geschnürt: Staub, der smart ist und hart.

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