5G等通信技術(shù)的快速發(fā)展，帶來了高可靠低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接，我們將更快進入“萬物互聯(lián)”時代，連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備激增，就會帶來數(shù)據(jù)存儲量的激增。如何突破現(xiàn)有存儲設(shè)備限制，實現(xiàn)更高效、更大容量的存儲是當下技術(shù)人員研究的重點。

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，不僅能儲存信息，還能植入人體。

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎課題組聯(lián)合美國紐約州立大學(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存儲器——蠶絲硬盤，相關(guān)成果于近日發(fā)表在國際知名期刊《自然·納米科技》上。

存儲量大 穩(wěn)定性高 有望應(yīng)用于外太空等極端環(huán)境

一直以來，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)進行融合，這類研究的重要成果之一，就是給信息存儲帶來了新思路，如高容量DNA存儲技術(shù)、寡肽存儲技術(shù)等各種基于生物介質(zhì)的存儲技術(shù)不斷被研發(fā)出來。

最近，科學(xué)家又以蠶絲蛋白作為存儲介質(zhì)開發(fā)出高容量蠶絲蛋白存儲技術(shù)，基于蠶絲蛋白對紅外光的選擇性吸收，利用近場紅外納米光刻技術(shù)，在絲素蛋白膜上加工高密度點陣實現(xiàn)數(shù)字信息寫入，對點陣成像可進行信息讀取，從而實現(xiàn)了蠶絲蛋白的存儲功能。

據(jù)科研人員介紹，因為蠶絲蛋白可吸收紅外光，所以能夠利用近場紅外納米光刻技術(shù)，將蠶絲蛋白當作光盤，在上面實現(xiàn)數(shù)字信息的寫入和讀取。制作蠶絲硬盤的過程有點像“攤大餅”，利用近紅外納米光刻技術(shù)往蠶絲硬盤里寫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似“0”和“1”的數(shù)字信號，通過解碼即可獲知所存儲的信息。

到目前為止，團隊已用這種技術(shù)實現(xiàn)了“家蠶食葉圖”“空谷鳥鳴曲”等圖像和音頻文件的準確記錄、存儲和“閱讀”的原理驗證，相關(guān)技術(shù)已申請專利。

據(jù)了解，這種以蠶絲蛋白為存儲介質(zhì)研制出來的存儲器具備諸多獨特的優(yōu)勢：存儲容量大，每平方英寸可存儲64GB數(shù)據(jù);原位可多次重復(fù)擦寫;可同時存儲二進制數(shù)字信息以及與生命活動直接相關(guān)的生物信息;可以植入生物體長期保存，也可以在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)可控降解。

值得一提的是，蠶絲蛋白在機械強度、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極高的穩(wěn)定性，使其能夠在高濕度、高磁場或強輻射等惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，將蠶絲硬盤置于相對濕度90%或7特斯拉磁場或25千戈瑞強輻射環(huán)境下，存儲的信息也不會丟失，因此，蠶絲蛋白存儲技術(shù)有望應(yīng)用于外太空等極端環(huán)境。

加入生命體特征標記物 可生物信息、數(shù)字信息并存

1978年，美國旅行者1號探測器首次攜帶了一張唱片《地球之聲》進入太空，當時為了抵御極端環(huán)境，這張唱片由鍍金的銅板制成，不僅成本高昂，而且只能存儲單一的數(shù)字信息。

如果被帶上太空的是蠶絲硬盤，那么人類的生命密碼也就有望在外太空進行保存和進一步研究。因為蠶絲硬盤不僅可以存儲數(shù)字信息，還能存儲生物信息。

“蠶絲蛋白存儲器不僅可以像普通半導(dǎo)體硬盤那樣存儲圖像、音頻、文字等數(shù)字化可編碼信息，還可為活性生物信息儲存提供一個功能巨大的平臺，用于采集存儲生物信息，同時可存儲生物體DNA和血液樣本。”該項技術(shù)的首倡者和主要發(fā)明人、上海微系統(tǒng)所2020前沿實驗室主任陶虎表示，通過調(diào)控蛋白質(zhì)的降解速度，這種存儲器還能夠按照預(yù)設(shè)的時序可控銷毀，從而用于信息保密。

那么，蠶絲硬盤為何能保存有活性的生物分子?

據(jù)科研人員介紹，蠶絲蛋白存儲器的形成過程是一個將蠶絲反向變成蠶絲蛋白溶液再將其旋涂成薄膜的過程。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記物融入其中，這就完成了生命體信息存儲的全過程，如果再通過激光等手段在絲素蛋白膜上進行高密度的點陣加工，通過二進制數(shù)字編碼，便可將數(shù)字信息和生命體信息同時存儲到蠶絲硬盤上。

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形成防水、防氣的致密結(jié)構(gòu)，保護包覆在其中的蛋白質(zhì)、葡萄糖、DNA等易于損壞的有機分子，使其不受破壞。

此外，經(jīng)過手術(shù)就可將蠶絲硬盤植入生物體內(nèi)，并且由于蠶絲蛋白的生物兼容性良好，植入生物體內(nèi)后也基本不會產(chǎn)生排斥反應(yīng)。

技術(shù)成熟有待驗證 實現(xiàn)大規(guī)模商用還有一段距離

科技日報記者獲悉，該存儲器可以在一平方英寸(約6.45平方厘米)的面積上存儲64GB的數(shù)據(jù)，如果折算成傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器，一顆3.5英寸的蠶絲蛋白存儲器的容量超過0.5TB(512GB)。

“一顆3.5英寸(蠶絲蛋白)蠶絲蛋白存儲器所用的蠶絲連0.1克都不到，照此推算，一個蠶繭就可以制備出具有1—3TB存儲空間的存儲器，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顆該規(guī)模的天然蠶絲存儲器。”陶虎介紹說。這意味著蠶絲蛋白存儲器如果能實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，將極大降低存儲器的生產(chǎn)成本。

那么，蠶繭產(chǎn)地不同，是否會影響蠶絲硬盤的質(zhì)量?蠶絲蛋白如何防腐?蠶絲硬盤未來是否可以進行大規(guī)模生產(chǎn)?針對這些問題，陶虎一一進行了解答。

“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)標準，可以在工藝上進行質(zhì)量控制。”他表示，在產(chǎn)品防腐的問題上，首先蠶絲蛋白本身就具備一定的抗菌效果，并且研究人員會進一步對蠶絲蛋白做一些功能化處理，比如通過加入一些抗生素來達到抑制細菌的目的。

談及未來是否能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，陶虎稱此項研究仍較為前沿，技術(shù)是否成熟有待進一步驗證，因此離商用還有一段距離，后續(xù)還將繼續(xù)在提高存儲容量及信息讀取速度等方面進行深入研究。

紐約州立大學(xué)石溪分校劉夢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。后期可以進一步結(jié)合多探針平行加工技術(shù)和快速移動平臺，讓蠶絲硬盤有潛力實現(xiàn)可比擬商業(yè)化硬盤存儲器的存儲密度和讀寫速度。”