一种快速读取的分子数据存储技术

硬盘驱动器、闪存驱动器等数字信息存储设备都存在一个致命缺陷，即使用寿命非常短，通常最多只有20年。这一缺陷驱使着研究人员们一直致力寻找一种寿命更长的替代材料和技术。

可行的方法之一是分子数据存储技术，原则上，这种技术可以在不消耗能量的情况下在长达数千年的时间内保持稳定。如今，哈佛大学和美国西北大学的一组科学家们发明了一种新方法，即借助喷墨打印机将荧光染料分子的混合物沉积在环氧树脂表面，从而存储数据。（文章见：ACS Central Science, doi: 10.1021/acscentsci.1c00728)。根据研究人员的说法，他们的光化学分子信息存储系统是目前所有基于分子的存储方法中读取速度最快的。

图1 美国哈佛大学和西北大学的研究人员实现了使用七种荧光染料编码数据的技术。据报道，此项技术读写数据的速度远快于此前发明的分子存储技术

分子数据存储面临的挑战

与传统的数据存储设备相比，分子存储信息技术有许多优点：稳定时间长、记录密度高、无电即可运行等等。然而，读写速度慢、成本高的缺点，阻碍了其在实际场景中的广泛应用。举个简单的例子，自然中的DNA合成是最密集的数据存储方法之一，然而即便借助现代的DNA测序技术，破译一条简单的信息也要花费数小时时间；漫长的读取耗时使得这种存储技术不具备实际应用前景。

此前，此项技术的研究人员已实现了一组在质谱仪下分子量不同的寡肽存储信息的技术。然而问题在于：在读取过程中，质谱分析破坏了信息，除此之外每秒20位的读取过程也太过漫长。

充满希望的前景

在这项新的工作中，研究小组决定从另一角度解决这个问题——使用光学可区分的分子取代寡肽；这种分子可一次性写入，但可多次读取。研究小组使用喷墨打印技术，将七种商用荧光染料的微液滴沉积在环氧聚合物薄膜上。基底和染料之间的反应使它们成为共价固定，稳定性可达到超过1000次读取的情况下无明显的强度损失。

读取过程即借助多通道荧光检测的显微镜对合成的基底成像，同时、独立地检测特定位置上染料分子是否存在。结果显示，光化学分子信息存储系统的速度达到了每秒469比特，是迄今所有分子信息存储方法中最快的读取速度。

研究人员共写入、存储和读取了40万比特的文本和图像，信息恢复率超过99%。尽管必须经过更多实验来验证这一方法的适用性，但研究人员认为，从稳定性、速度和成本方面来看，初步结果预示此项技术前景大好。