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樊春海、左小磊團(tuán)隊(duì)在Matter發(fā)表框架核酸大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)重要成果
日期:2024-11-25 閱讀:13467


近日,上海交通大學(xué)樊春海、左小磊團(tuán)隊(duì)在Matter期刊上發(fā)表題為“Massively multiplexed optical recording with polychromatic DNA frameworks”的最新研究。該研究開(kāi)發(fā)了一種基于DNA四面體結(jié)構(gòu)的多色框架核酸(PDTF),實(shí)現(xiàn)了對(duì)其光物理性質(zhì)的精確調(diào)控,展示出DNA框架結(jié)構(gòu)作為下一代大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)在大規(guī)模多路復(fù)用光學(xué)存儲(chǔ)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。該研究緊扣國(guó)家“十四五”規(guī)劃中加快布局的“DNA存儲(chǔ)”前沿領(lǐng)域,為海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

近年來(lái),全球數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng),研究表明到2040年全球存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量將達(dá)到1024~1028字節(jié)。IDC(國(guó)際數(shù)據(jù)公司)報(bào)告顯示,2018年至2025年,中國(guó)數(shù)據(jù)圈將以30%的年平均增長(zhǎng)速度領(lǐng)先全球,比全球高3%。預(yù)計(jì)到2025年,中國(guó)數(shù)據(jù)圈將增長(zhǎng)至48.6 ZB1 ZB=1×1012 GB),占全球數(shù)據(jù)圈的27.8%,并將成為全球最大的數(shù)據(jù)圈。如果使用DVD(存儲(chǔ)容量為4.7 GB)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù),其總長(zhǎng)度足以環(huán)繞地球62圈。如此龐大的數(shù)據(jù)量當(dāng)代存儲(chǔ)技術(shù)(光盤、硬盤等)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。因此,亟需發(fā)展適合海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及長(zhǎng)期存儲(chǔ)的下一代存儲(chǔ)技術(shù)。與磁帶和硬盤等技術(shù)相比,光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了更高的存儲(chǔ)容量和能源效率。然而,當(dāng)前商用光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備(如 CD、DVD、藍(lán)光光盤)的特征點(diǎn)尺寸(pit size)和特征點(diǎn)間距(pitches)已達(dá)到物理極限,阻礙了存儲(chǔ)容量的進(jìn)一步提高。

基于單納米顆粒的光學(xué)多路復(fù)用策略能在一定程度上提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度。然而,單納米顆粒的尺寸、形狀、表面基團(tuán)和電荷等物理性質(zhì)難以精確調(diào)控,導(dǎo)致其發(fā)光特性不可控。因此,目前開(kāi)發(fā)的基于納米顆粒的光學(xué)多路復(fù)用技術(shù)無(wú)法產(chǎn)生多維度正交數(shù)據(jù)通道以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了系列高度可編程的多色框架核酸(PDTF),實(shí)現(xiàn)了其光學(xué)性能的精確控制并將其應(yīng)用于大規(guī)模多路復(fù)用光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在本研究中,研究團(tuán)隊(duì)利用PDTF的高度可編程性實(shí)現(xiàn)了其尺寸12.6 nm~3.4 nm的精確調(diào)控(圖1,上),并在單分子水平上對(duì)PDTF發(fā)光特性進(jìn)行了精準(zhǔn)調(diào)控。該研究編碼了1964700萬(wàn))種存儲(chǔ)基元,實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(圖1,下)。同時(shí),PDTF表現(xiàn)出卓越的可擦除-重寫性和穩(wěn)定性(按阿倫尼烏斯方法估算,室溫下保存10,826年),在高密度和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

圖片9.png 

1 多色框架核酸(PDTF)應(yīng)用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

Matter是Cell Press出版社繼Chem,Joule之后推出的材料領(lǐng)域旗艦刊物,與Cell, Chem和Joule互為姊妹刊。稿件接收方向涵蓋各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)秀先進(jìn)材料的原理性研究及應(yīng)用研究,包括生物材料,能源材料,光學(xué)材料,磁性材料等。旨在推進(jìn)材料學(xué)在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展,推動(dòng)先進(jìn)材料的實(shí)用化發(fā)展進(jìn)程。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.10.020


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