全球首款“蚕丝硬盘”!耐高温可重写,能存 DNA,还能植入人体

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来源:大数据文摘

 

大数据文摘出品想到蚕丝你会联想到什么?蚕丝被?面膜?

最近,来自中科院、美国纽约州立大学石溪分校和德州大学奥斯汀分校的联合课题组,首次实现了基于蚕丝蛋白的高容量、可重写的生物存储技术。

也就是说,未来,你的数据可能不需要再存储在半导体上,而是一个蚕茧中。

项目的主要参与者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、博士生导师、上海微系统所 2020 前沿实验室主任陶虎今天在接受《澎湃新闻》采访中表示,这款 ” 蚕丝硬盘 ” 除了能存信息,还能装东西,比如血液样本、DNA、疫苗,甚至可以植入生物体。

图源:《澎湃新闻》受访者供图突然就有了科幻的感觉,天然生物蛋白也可以作为存储信息的介质了!

8 月 10 日,陶虎团队的相关论文《A rewritable optical storage medium of silk proteins using near-field nano-optics》发表在了《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-020-0755-9?utm_source=other&utm_medium=other&utm_content=null&utm_campaign=JRCN_2_DD01_CN_NatureRJ_article_paid_XMOL

这篇论文的摘要中提到,生物相容性材料中的纳米级光刻和信息存储,为诸如生物电子学和可降解电子学等无法使用传统半导体制造技术的应用提供了可能性。

陶虎在澎湃新闻记者的采访中提到,” 蚕丝硬盘能同时存储数字信息和生命信息;其生物兼容性良好,可以植入活的生物体,比如人体,长期保存甚至永久保存,像电影中士兵佩戴的铭牌一样,制成永不丢失的生命铭牌;又能根据设定,制成寿命可控的时间胶囊,可控地降解,可控消失。它有望在外太空等极端条件下保存信息。”

蚕丝蛋白是一种以其强度和生物相容性闻名的天然蛋白质,已在此背景下得到了广泛的研究。

在论文中,陶虎团队介绍了使用蚕丝作为纳米光刻和数据存储的生物功能介质。

作为一种光存储介质,目前蚕丝硬盘的存储容量已可达 64GB 每平方英寸。而且,研究表明,蚕丝在各种恶劣条件下均具有长期稳定性。

其实,在过去的二十年中,人类一直在探索信息存储的光刻策略,包括使用深紫外或极紫外光源,双光束系统和三维存储架构的光刻策略,已经将光学存储密度提高到每平方英寸数百 GB。

然而,为了获得高空间分辨率,这些方法都不可避免地需要复杂的制造过程,这些过程在时间和成本上均效率低下。此外,常规的光学光刻法受到衍射极限的限制,这阻止了存储密度的进一步增加超过当前的工业标准。

陶虎团队在论文摘要中提到,世纪之交,IBM 描述了一种基于原子力显微镜(AFM)的数据存储方案 “Millipede”,该方案具有以 30 的高数据写入和读取速率实现每平方英寸多 TB 级的容量、40 nm 空间分辨率的能力。

尽管这项工作代表了技术上的飞跃,并导致了对基于探针的存储方案的进一步研究,但商业应用仍然遥遥无期。

散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)为高分辨率纳米技术提供了一个有希望的制造可能,特别是在软质材料上,可以实现超出衍射极限的超分辨率成像。

s-SNOM 产生的近场倏逝波是诱导局部受限高场光学异常有效的工具,这使得在纳米级上制造光敏结构,操作和特性化成为可能,尤其是,倏逝波已被用于处理材料表面的纳米级特征,以及用于制造光学纳米器件和聚合物材料的纳米蚀刻。

由于中红外 s-SNOM 的微创性,不需要真空且对蛋白质构象的敏感性,这些生物材料可以固定化并与细菌、病毒、酶和生物标记物等生物实体相互作用,通过开发中红外 s-SNOM 的光刻功能,同时保留成像功能,纳米尺度操作和功能生物材料的特征可以因此集成到一个单一的平台。

这个闭环光刻平台可以简化仿生制造,并提供基于探针的存储方案来存储和操纵生物信息。

为了提高光刻效率以及随后在生物材料中的信息存储、介质材料、入射光和光子之间的协同作用,必须优化介质材料、入射光和扫描头的性能之间的协同作用。在这种情况下,由桑蚕衍生而来的天然存在的环蛋白的丝素蛋白就非常适合。

作为一种生物相容的 ” 绿色 ” 介质,蚕丝在暴露于电子、离子束或光后会经历纳米级的多晶型转变。陶虎团队在论文中发现,尖端增强型近场红外纳米光刻(TNINL)可以诱导丝蛋白层的受控形貌和 / 或相变,其半峰全宽(FWHM)的空间分辨率约为 35nm。

这些图案具有 100nm 的间距,相当于 64GB 平方英寸的存储容量,并且可以重复写入和擦除。

如何在蚕丝硬盘上 ” 写入 ” 和 ” 擦去 ” 数据图源:《澎湃新闻》受访者供图

更值得一提的是,蚕丝因其机械强度,生物相容性,生物降解性,易于功能化和可调节的水溶性而久负盛名。这些有利的特性使我们研究了丝绸蛋白作为可重写的光学存储介质,信息可以在严酷的环境下保留。

也就是说,好莱坞大片中常常出现的,通过微波炉高温销毁、或者砸坏硬盘破坏存储能力的方式在蚕丝硬盘身上怕是不能奏效了。并且,这些特性也让蚕丝存储可以用于太空勘测等高温高压的使用环境。

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