寫入數據後的蠶絲蛋白存儲器 受訪者供圖
5G等通信技術的快速發展，帶來了高可靠低延遲的網絡連接，我們將更快進入“萬物互聯”時代，連接到網絡的設備激增，就會帶來數據存儲量的激增。如何突破現有存儲設備限制，實現更高效、更大容量的存儲是當下技術人員研究的重點。
在人們的印象中，蠶絲最主要的用途就是作為紡織材料，如今科技的發展正在不斷突破人們的想象。蠶絲與現代文明相遇竟能變身為高科技創新材料，不僅能儲存信息，還能植入人體。
近日，中國科學院上海微系統所陶虎課題組聯合美國紐約州立大學石溪分校和德州大學奧斯汀分校相關課題組，研發出了世界上首塊基於天然生物蛋白的硬盤存儲器——蠶絲硬盤，相關成果於近日發表在國際知名期刊《自然·納米科技》上。
存儲量大 穩定性高 有望應用於外太空等極端環境
一直以來，科學家都在致力於將生命科學技術與半導體技術進行融合，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、寡肽存儲技術等各種基於生物介質的存儲技術不斷被研發出來。
最近，科學家又以蠶絲蛋白作為存儲介質開發出高容量蠶絲蛋白存儲技術，基於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，在絲素蛋白膜上加工高密度點陣實現數字信息寫入，對點陣成像可進行信息讀取，從而實現了蠶絲蛋白的存儲功能。
據科研人員介紹，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，將蠶絲蛋白當作光盤，在上面實現數字信息的寫入和讀取。製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往蠶絲硬盤裏寫入信息則像是在大餅上撒芝麻，整道工藝完成後，“大餅”表面的凹凸痕跡就類似“0”和“1”的數字信號，通過解碼即可獲知所存儲的信息。
到目前為止，團隊已用這種技術實現了“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“閲讀”的原理驗證，相關技術已申請專利。
據瞭解，這種以蠶絲蛋白為存儲介質研製出來的存儲器具備諸多獨特的優勢：存儲容量大，每平方英寸可存儲64GB數據；原位可多次重複擦寫；可同時存儲二進制數字信息以及與生命活動直接相關的生物信息；可以植入生物體長期保存，也可以在預設的時間內可控降解。
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、易於功能化和可調節的水溶性等方面都具有良好的表現。這些特性賦予了蠶絲硬盤極高的穩定性，使其能夠在高濕度、高磁場或強輻射等惡劣環境下長期穩定工作，將蠶絲硬盤置於相對濕度90%或7特斯拉磁場或25千戈瑞強輻射環境下，存儲的信息也不會丟失，因此，蠶絲蛋白存儲技術有望應用於外太空等極端環境。
加入生命體特徵標記物 可生物信息、數字信息並存
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，當時為了抵禦極端環境，這張唱片由鍍金的銅板製成，不僅成本高昂，而且只能存儲單一的數字信息。
如果被帶上太空的是蠶絲硬盤，那麼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體硬盤那樣存儲圖像、音頻、文字等數字化可編碼信息，還可為活性生物信息儲存提供一個功能巨大的平台，用於採集存儲生物信息，同時可存儲生物體DNA和血液樣本。”該項技術的首倡者和主要發明人、上海微系統所2020前沿實驗室主任陶虎表示，通過調控蛋白質的降解速度，這種存儲器還能夠按照預設的時序可控銷燬，從而用於信息保密。
那麼，蠶絲硬盤為何能保存有活性的生物分子？
據科研人員介紹，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塗成薄膜的過程。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後，將帶有血紅蛋白、白蛋白、葡萄糖等生命體特徵的標記物融入其中，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，通過二進制數字編碼，便可將數字信息和生命體信息同時存儲到蠶絲硬盤上。
據介紹，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、防氣的緻密結構，保護包覆在其中的蛋白質、葡萄糖、DNA等易於損壞的有機分子，使其不受破壞。
此外，經過手術就可將蠶絲硬盤植入生物體內，並且由於蠶絲蛋白的生物兼容性良好，植入生物體內後也基本不會產生排斥反應。
技術成熟有待驗證 實現大規模商用還有一段距離
記者獲悉，該存儲器可以在一平方英寸（約6.45平方釐米）的面積上存儲64GB的數據，如果折算成傳統的半導體存儲器，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，一個蠶繭就可以製備出具有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製成上萬顆該規模的天然蠶絲存儲器。”陶虎介紹説。這意味着蠶絲蛋白存儲器如果能實現批量化生產，將極大降低存儲器的生產成本。
那麼，蠶繭產地不同，是否會影響蠶絲硬盤的質量？蠶絲蛋白如何防腐？蠶絲硬盤未來是否可以進行大規模生產？針對這些問題，陶虎一一進行了解答。
“雖然蠶繭產地不同，品質也各有差異，但是我們制定了相關標準，可以在工藝上進行質量控制。”他表示，在產品防腐的問題上，首先蠶絲蛋白本身就具備一定的抗菌效果，並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產業化生產，陶虎稱此項研究仍較為前沿，技術是否成熟有待進一步驗證，因此離商用還有一段距離，後續還將繼續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：“相比傳統紫外光刻和電子束光刻技術，基於原子力顯微鏡的近場光學技術為生物材料在納米尺度下的原位加工和表徵提供了可能。後期可以進一步結合多探針平行加工技術和快速移動平台，讓蠶絲硬盤有潛力實現可比擬商業化硬盤存儲器的存儲密度和讀寫速度。”
作者：吳紅梅 王春
編輯：沈湫莎
責任編輯：顧軍
來源：科技日報、科普中國
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