寫入資料後的蠶絲蛋白儲存器 受訪者供圖
5G等通訊技術的快速發展，帶來了高可靠低延遲的網路連線，我們將更快進入“萬物互聯”時代，連線到網路的裝置激增，就會帶來資料儲存量的激增。如何突破現有儲存裝置限制，實現更高效、更大容量的儲存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，不僅能儲存資訊，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碟儲存器——蠶絲硬碟，相關成果於近日發表在國際知名期刊《自然·奈米科技》上。
儲存量大 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，就是給資訊儲存帶來了新思路，如高容量DNA儲存技術、寡肽儲存技術等各種基於生物介質的儲存技術不斷被研發出來。
最近，科學家又以蠶絲蛋白作為儲存介質開發出高容量蠶絲蛋白儲存技術，基於蠶絲蛋白對紅外光的選擇性吸收，利用近場紅外奈米光刻技術，在絲素蛋白膜上加工高密度點陣實現數字資訊寫入，對點陣成像可進行資訊讀取，從而實現了蠶絲蛋白的儲存功能。
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奈米光刻技術，將蠶絲蛋白當作光碟，在上面實現數字資訊的寫入和讀取。製作蠶絲硬碟的過程有點像“攤大餅”，利用近紅外奈米光刻技術往蠶絲硬盤裡寫入資訊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”的數字訊號，透過解碼即可獲知所儲存的資訊。
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”等影象和音訊檔案的準確記錄、儲存和“閱讀”的原理驗證，相關技術已申請專利。
據瞭解，這種以蠶絲蛋白為儲存介質研製出來的儲存器具備諸多獨特的優勢：儲存容量大，每平方英寸可儲存64GB資料；原位可多次重複擦寫；可同時儲存二進位制數字資訊以及與生命活動直接相關的生物資訊；可以植入生物體長期儲存，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、生物相容性、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碟極高的穩定性，使其能夠在高溼度、高磁場或強輻射等惡劣環境下長期穩定工作，將蠶絲硬碟置於相對溼度90%或7特斯拉磁場或25千戈瑞強輻射環境下，儲存的資訊也不會丟失，因此，蠶絲蛋白儲存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 可生物資訊、數字資訊並存
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，而且只能儲存單一的數字資訊。
如果被帶上太空的是蠶絲硬碟，那麼人類的生命密碼也就有望在外太空進行儲存和進一步研究。因為蠶絲硬碟不僅可以儲存數字資訊，還能儲存生物資訊。
“蠶絲蛋白儲存器不僅可以像普通半導體硬碟那樣儲存影象、音訊、文字等數字化可編碼資訊，還可為活性生物資訊儲存提供一個功能巨大的平臺，用於採集儲存生物資訊，同時可儲存生物體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，透過調控蛋白質的降解速度，這種儲存器還能夠按照預設的時序可控銷燬，從而用於資訊保密。
那麼，蠶絲硬碟為何能儲存有活性的生物分子？
據科研人員介紹，蠶絲蛋白儲存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。如果要儲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，這就完成了生命體資訊儲存的全過程，如果再透過鐳射等手段在絲素蛋白膜上進行高密度的點陣加工，透過二進位制數字編碼，便可將數字資訊和生命體資訊同時儲存到蠶絲硬碟上。
據介紹，蠶絲蛋白是一種厭水性材料，在一定奈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碟植入生物體內，並且由於蠶絲蛋白的生物相容性良好，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，該儲存器可以在一平方英寸（約6.45平方釐米）的面積上儲存64GB的資料，如果折算成傳統的半導體儲存器，一顆3.5英寸的蠶絲蛋白儲存器的容量超過0.5TB（512GB）。
“一顆3.5英寸（蠶絲蛋白）蠶絲蛋白儲存器所用的蠶絲連0.1克都不到，照此推算，一個蠶繭就可以製備出具有1—3TB儲存空間的儲存器，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儲存器。”陶虎介紹說。這意味著蠶絲蛋白儲存器如果能實現批次化生產，將極大降低儲存器的生產成本。
那麼，蠶繭產地不同，是否會影響蠶絲硬碟的質量？蠶絲蛋白如何防腐？蠶絲硬碟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，比如透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儲存容量及資訊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奈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臺，讓蠶絲硬碟有潛力實現可比擬商業化硬碟儲存器的儲存密度和讀寫速度。”
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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