存储技术新突破：采用有机小分子长期稳定地存储信息

背景

书籍会被焚毁，电脑会被黑客攻击，DVD光盘会失效。虽然信息存储技术（纸张的墨水、电脑、CD或DVD，甚至是DNA）在不断完善，但是各种形式的威胁，简单的方式例如水，复杂的方式例如网络攻击，仍然会破坏我们的存储记录。

随着数据呈“爆炸式”地持续增长，越来越多的信息存储在越来越少的空间中，甚至连“云”（其名称意味着不透明的无尽空间）最终也将耗尽空间，无法阻止所有的黑客，并急剧地消耗着能量。

创新

现在，哈佛大学开发的一种存储信息的新方法，可稳定地存储数据达数百万年。它处于会遭到黑客攻击的互联网之外，而且在写入数据之后不会消耗能量。你需要的仅仅是一名化学家、便宜的分子以及宝贵的信息。

描述这项新技术的论文第一作者、乔治·怀特塞兹（George Whitesides）实验室的博士后访问学者、哈佛大学教授布瑞恩·卡弗蒂（Brian Cafferty）表示：“这就像通过一小匙蛋白质来存储纽约公共图书馆的内容。”他与米兰·密克西切（Milan Mrksich）及其在美国西北大学的研究小组合作开展了这项工作。

卡弗蒂表示：“至少在这个阶段，我们并没有发现这个方法会与现有的数据存储方法产生竞争，我们反而发现这个方法与现有技术互补。作为初始目标来说，它非常适合长期的档案数据存储。”

技术

卡弗蒂的化学工具也许无法取代“云”。但是，这个文件系统提供了一种替代生物存储工具的方案，该方案非常诱人。近期，科学家们研究出如何操控我们基因信息的忠诚守护者来编码更多的信息，而不仅是眼睛颜色的信息。研究人员们现在可以合成DNA链来记录任何信息，包括猫的视频、饮食趋势、烹饪教程（他们是否应该这么做又是另一个问题）。

虽然DNA与计算机芯片相比非常小，但是在分子世界中高分子却非常大。而且，DNA合成需要熟练且经常重复的劳动。如果每条信息都要从头开始设计，那么高分子存储将变成漫长且昂贵的工作。

卡弗蒂表示：“我们打算研究出一个策略，并不是直接借用生物学。取而代之的是，我们依赖于有机化学与分析化学中的常见技术，开发出一个采用小型、轻量的分子来编码信息。”

仅仅通过一次合成，团队就可以制造出足够的小型分子，从而一次编码多个猫视频。因此，这个方案与基于DNA的方案相比，劳动密集程度更低，也更便宜。

团队选择了寡肽（两个或者更多的肽绑定在一起）作为他们的轻量分子。寡肽很常见，也很稳定，而且比DNA、RNA或者蛋白质都更小。

根据它们的氨基酸数量与种类，各种寡肽的质量也不同。即使混合在一起，它们也可以互相区分开来，就像字母汤里面的字母一样。

用字母组成单词有点复杂：在微孔板（如同迷你版的打地鼠游戏机，但是有384个鼠洞）中，每个洞都含有不同质量的寡肽。就像墨水在纸张页面上被吸收一样，寡肽混合物在存储它们的金属表面上聚集起来。如果团队想要读回它们所“写”的内容，他们需要通过质谱仪观察某个洞，质谱仪会根据质量分类这些分子。这样一来，他们就可以知道寡肽存在与否：它们的质量暴露了它们。

然后，为了将一大堆杂乱的分子转化为字母与单词，他们借助于二进制代码。例如，“M”采用8个寡肽中的4个，每个都具有不同质量。这四个寡肽在洞中漂浮，接收一个“1”；另外四个接收“0”。分子二进制代码代表一个相应的字母，如果信息是一幅图像，那么就代表相应的像素。

通过这种方法，8个寡肽的混合物可以存储一个字节信息；32个可以存储四个字节信息；越多的寡肽存储的信息就越多。

目前为止，卡弗蒂及其团队“写入”，存储，并“读出”物理学家理查德··费曼（Richard Feynman）的著名演讲《在底部还有很大空间》（There is plenty of room at the bottom），以及信息论之父克劳德·香农（Claude Shannon）的一张照片，还有葛饰北斋的木版画“神奈川巨浪”。因为全世界的数字档案到2020年将达到44万亿吉字节（2013年的10倍），一幅海啸图像似乎很贴切。

价值

目前，团队能以99.9%的准确率检索他们存储的杰作。他们“写入”数据的平均速率达到每秒8比特，而“读出”数据的平均速率达每秒20比特。尽管他们的“写入”速度远远超过合成DNA写入数据的速度，但是通过大分子读出数据可能会更快而且更便宜。

但是，通过更快的技术，团队的速度一定会提升。例如，一个喷墨打印机，可以生成墨滴的速率为每秒1千滴，并能将更多的信息塞进更小的区域中。然而，经过改进的质谱仪一次可以接收更多的信息。

团队也通过不同类型的分子，改善了分子存储的稳定性、价格和容量。他们的寡肽是定制的，因此也更加昂贵。然而，未来的分子库建设者可以采购便宜的分子（例如烷基硫醇）。这些分子记录1亿个比特的信息，只需花费1美分。

其他的分子信息存储系统会依赖于某个特定的分子。不同于这些系统，这个方案可以采用任何具有延展性的分子，只要这些分子可以被操控成可区分的比特。

寡肽（以及相似的选择）的适应力很强。论文称：“寡肽在合适的条件下，稳定性可达数百或数千年。”这种适应力强的分子能在没有光线或者氧气的条件下适应高温干旱的环境。而且不同于能被黑客轻而易举入侵的“云”，分子存储只能被本人亲自访问，不易受到黑客攻击。即使盗贼找到了存放的数据，还需要一些化学知识去检索代码。

对于未来信息存储来说，卡弗蒂的可扩展分子库是一个稳定、零能耗且抗腐蚀的选择。所以，如果图书被焚毁、电脑被黑客入侵，DVD光盘失效，一个充满信息的“打地鼠游戏机”还可以提醒未来的人类：我们是多么地热爱美好的猫视频。

参考资料

【1】Brian J. Cafferty, Alexei S. Ten, Michael J. Fink, Scott Morey, Daniel J. Preston, Milan Mrksich, and George M. Whitesides.Storage of Information Using Small Organic Molecules. ACS Cent. Sci., Article ASAP DOI: 10.1021/acscentsci.9b00210

【2】https://chemistry.harvard.edu/news/storage-beyond-cloud