5G等通信技術(shù)的快速發(fā)展，帶來(lái)了高可靠低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接，我們將更快進(jìn)入“萬(wàn)物互聯(lián)”時(shí)代，連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備激增，就會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的激增。如何突破現(xiàn)有存儲(chǔ)設(shè)備限制，實(shí)現(xiàn)更高效、更大容量的存儲(chǔ)是當(dāng)下技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。
在人們的印象中，蠶絲最主要的用途就是作為紡織材料，如今科技的發(fā)展正在不斷突破人們的想象。蠶絲與現(xiàn)代文明相遇竟能變身為高科技創(chuàng)新材料，不僅能儲(chǔ)存信息，還能植入人體。
近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎課題組聯(lián)合美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校和德州大學(xué)奧斯汀分校相關(guān)課題組，研發(fā)出了世界上首塊基于天然生物蛋白的硬盤(pán)存儲(chǔ)器——蠶絲硬盤(pán)，相關(guān)成果于近日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·納米科技》上。
存儲(chǔ)量大 穩(wěn)定性高 有望應(yīng)用于外太空等極端環(huán)境
一直以來(lái)，科學(xué)家都在致力于將生命科學(xué)技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行融合，這類(lèi)研究的重要成果之一，就是給信息存儲(chǔ)帶來(lái)了新思路，如高容量DNA存儲(chǔ)技術(shù)、寡肽存儲(chǔ)技術(shù)等各種基于生物介質(zhì)的存儲(chǔ)技術(shù)不斷被研發(fā)出來(lái)。
最近，科學(xué)家又以蠶絲蛋白作為存儲(chǔ)介質(zhì)開(kāi)發(fā)出高容量蠶絲蛋白存儲(chǔ)技術(shù)，基于蠶絲蛋白對(duì)紅外光的選擇性吸收，利用近場(chǎng)紅外納米光刻技術(shù)，在絲素蛋白膜上加工高密度點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息寫(xiě)入，對(duì)點(diǎn)陣成像可進(jìn)行信息讀取，從而實(shí)現(xiàn)了蠶絲蛋白的存儲(chǔ)功能。
據(jù)科研人員介紹，因?yàn)樾Q絲蛋白可吸收紅外光，所以能夠利用近場(chǎng)紅外納米光刻技術(shù)，將蠶絲蛋白當(dāng)作光盤(pán)，在上面實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的寫(xiě)入和讀取。制作蠶絲硬盤(pán)的過(guò)程有點(diǎn)像“攤大餅”，利用近紅外納米光刻技術(shù)往蠶絲硬盤(pán)里寫(xiě)入信息則像是在大餅上撒芝麻，整道工藝完成后，“大餅”表面的凹凸痕跡就類(lèi)似“0”和“1”的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)解碼即可獲知所存儲(chǔ)的信息。
到目前為止，團(tuán)隊(duì)已用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“家蠶食葉圖”“空谷鳥(niǎo)鳴曲”等圖像和音頻文件的準(zhǔn)確記錄、存儲(chǔ)和“閱讀”的原理驗(yàn)證，相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)專(zhuān)利。
據(jù)了解，這種以蠶絲蛋白為存儲(chǔ)介質(zhì)研制出來(lái)的存儲(chǔ)器具備諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：存儲(chǔ)容量大，每平方英寸可存儲(chǔ)64GB數(shù)據(jù);原位可多次重復(fù)擦寫(xiě);可同時(shí)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)字信息以及與生命活動(dòng)直接相關(guān)的生物信息;可以植入生物體長(zhǎng)期保存，也可以在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)可控降解。
值得一提的是，蠶絲蛋白在機(jī)械強(qiáng)度、生物兼容性、生物降解性、易于功能化和可調(diào)節(jié)的水溶性等方面都具有良好的表現(xiàn)。這些特性賦予了蠶絲硬盤(pán)極高的穩(wěn)定性，使其能夠在高濕度、高磁場(chǎng)或強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，將蠶絲硬盤(pán)置于相對(duì)濕度90%或7特斯拉磁場(chǎng)或25千戈瑞強(qiáng)輻射環(huán)境下，存儲(chǔ)的信息也不會(huì)丟失，因此，蠶絲蛋白存儲(chǔ)技術(shù)有望應(yīng)用于外太空等極端環(huán)境。
加入生命體特征標(biāo)記物 可生物信息、數(shù)字信息并存
1978年，美國(guó)旅行者1號(hào)探測(cè)器首次攜帶了一張唱片《地球之聲》進(jìn)入太空，當(dāng)時(shí)為了抵御極端環(huán)境，這張唱片由鍍金的銅板制成，不僅成本高昂，而且只能存儲(chǔ)單一的數(shù)字信息。
如果被帶上太空的是蠶絲硬盤(pán)，那么人類(lèi)的生命密碼也就有望在外太空進(jìn)行保存和進(jìn)一步研究。因?yàn)樾Q絲硬盤(pán)不僅可以存儲(chǔ)數(shù)字信息，還能存儲(chǔ)生物信息。
“蠶絲蛋白存儲(chǔ)器不僅可以像普通半導(dǎo)體硬盤(pán)那樣存儲(chǔ)圖像、音頻、文字等數(shù)字化可編碼信息，還可為活性生物信息儲(chǔ)存提供一個(gè)功能巨大的平臺(tái)，用于采集存儲(chǔ)生物信息，同時(shí)可存儲(chǔ)生物體DNA和血液樣本。”該項(xiàng)技術(shù)的首倡者和主要發(fā)明人、上海微系統(tǒng)所2020前沿實(shí)驗(yàn)室主任陶虎表示，通過(guò)調(diào)控蛋白質(zhì)的降解速度，這種存儲(chǔ)器還能夠按照預(yù)設(shè)的時(shí)序可控銷(xiāo)毀，從而用于信息保密。
那么，蠶絲硬盤(pán)為何能保存有活性的生物分子?
據(jù)科研人員介紹，蠶絲蛋白存儲(chǔ)器的形成過(guò)程是一個(gè)將蠶絲反向變成蠶絲蛋白溶液再將其旋涂成薄膜的過(guò)程。如果要保存有活性的生物分子，可在將蠶絲變成蠶絲蛋白溶液后，將帶有血紅蛋白、白蛋白、葡萄糖等生命體特征的標(biāo)記物融入其中，這就完成了生命體信息存儲(chǔ)的全過(guò)程，如果再通過(guò)激光等手段在絲素蛋白膜上進(jìn)行高密度的點(diǎn)陣加工，通過(guò)二進(jìn)制數(shù)字編碼，便可將數(shù)字信息和生命體信息同時(shí)存儲(chǔ)到蠶絲硬盤(pán)上。
據(jù)介紹，蠶絲蛋白是一種厭水性材料，在一定納米尺度下會(huì)形成防水、防氣的致密結(jié)構(gòu)，保護(hù)包覆在其中的蛋白質(zhì)、葡萄糖、DNA等易于損壞的有機(jī)分子，使其不受破壞。
此外，經(jīng)過(guò)手術(shù)就可將蠶絲硬盤(pán)植入生物體內(nèi)，并且由于蠶絲蛋白的生物兼容性良好，植入生物體內(nèi)后也基本不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)。
技術(shù)成熟有待驗(yàn)證 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用還有一段距離
科技日?qǐng)?bào)記者獲悉，該存儲(chǔ)器可以在一平方英寸(約6.45平方厘米)的面積上存儲(chǔ)64GB的數(shù)據(jù)，如果折算成傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，一顆3.5英寸的蠶絲蛋白存儲(chǔ)器的容量超過(guò)0.5TB(512GB)。
“一顆3.5英寸(蠶絲蛋白)蠶絲蛋白存儲(chǔ)器所用的蠶絲連0.1克都不到，照此推算，一個(gè)蠶繭就可以制備出具有1—3TB存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)器，而一條重約1.5公斤的天然蠶絲被所需要的蠶繭可制成上萬(wàn)顆該規(guī)模的天然蠶絲存儲(chǔ)器。”陶虎介紹說(shuō)。這意味著蠶絲蛋白存儲(chǔ)器如果能實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，將極大降低存儲(chǔ)器的生產(chǎn)成本。
那么，蠶繭產(chǎn)地不同，是否會(huì)影響蠶絲硬盤(pán)的質(zhì)量?蠶絲蛋白如何防腐?蠶絲硬盤(pán)未來(lái)是否可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)?針對(duì)這些問(wèn)題，陶虎一一進(jìn)行了解答。
“雖然蠶繭產(chǎn)地不同，品質(zhì)也各有差異，但是我們制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以在工藝上進(jìn)行質(zhì)量控制。”他表示，在產(chǎn)品防腐的問(wèn)題上，首先蠶絲蛋白本身就具備一定的抗菌效果，并且研究人員會(huì)進(jìn)一步對(duì)蠶絲蛋白做一些功能化處理，比如通過(guò)加入一些抗生素來(lái)達(dá)到抑制細(xì)菌的目的。
談及未來(lái)是否能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，陶虎稱(chēng)此項(xiàng)研究仍較為前沿，技術(shù)是否成熟有待進(jìn)一步驗(yàn)證，因此離商用還有一段距離，后續(xù)還將繼續(xù)在提高存儲(chǔ)容量及信息讀取速度等方面進(jìn)行深入研究。
紐約州立大學(xué)石溪分校劉夢(mèng)昆教授作為論文的共同通訊作者也表示：“相比傳統(tǒng)紫外光刻和電子束光刻技術(shù)，基于原子力顯微鏡的近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)為生物材料在納米尺度下的原位加工和表征提供了可能。后期可以進(jìn)一步結(jié)合多探針平行加工技術(shù)和快速移動(dòng)平臺(tái)，讓蠶絲硬盤(pán)有潛力實(shí)現(xiàn)可比擬商業(yè)化硬盤(pán)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度和讀寫(xiě)速度。”
