ورق مايكل فاراداي المنوي مخزّن رقميًا في أصباغ فلورية

لا يمكن للأقراص الضوئية ومحركات الأقراص المحمولة ومحركات الأقراص المغناطيسية تخزين المعلومات الرقمية إلا لبضعة عقود ، وتتطلب الكثير من الطاقة للمحافظة عليها ، مما يجعل هذه الطرق مثالية لتخزين البيانات على المدى الطويل. لذلك يستخدم الباحثون الجزيئات كبديل على وجه الخصوص تخزين بيانات الحمض النووي. ومع ذلك ، تأتي هذه الأساليب مع تحدياتها الخاصة ، بما في ذلك ارتفاع تكاليف الحزمة ومعدلات القراءة والكتابة البطيئة.

الآن ، اكتشف علماء جامعة هارفارد كيفية استخدام الأصباغ الفلورية لتخزين البيانات بسرعة ورخيصة. ورقة جديدة نُشرت في مجلة ACS Central Science Journal. اختبر الباحثون طريقتهم عن طريق إنقاذ أحد علماء الفيزياء في القرن التاسع عشر مايكل فارادياختبارات قصيرة حول الكهرومغناطيسية والكيمياء ، بالإضافة إلى فيلم فاراداي بتنسيق JPEG.

“يمكن أن توفر هذه الطريقة الوصول إلى تخزين بيانات الأرشيف بتكلفة منخفضة.” مؤلف مشارك أميت أ. قال ناجاركار، الذي أجرى بحثًا كباحث دكتوراه في مختبر جورج وايتسايت بجامعة هارفارد. “[It] الطباعة النافثة للحبر والفحص المجهري الفلوري – يوفران الوصول إلى تخزين البيانات على المدى الطويل باستخدام تقنيات الأعمال الحالية. يعمل Nagercoil الآن في شركة ناشئة تريد تسويق النظام.

هناك سبب وجيه لجميع الاهتمام باستخدام الحمض النووي لتخزين البيانات. كما لدينا أعلن سابقا، هناك أربع كتل بناء كيميائية في الحمض النووي – الأدينين (A) ، الثايمين (D) ، الجوانين (G) والسيتوزين (C) – وهو نوع كود. يمكن تخزين البيانات في الحمض النووي عن طريق تحويل البيانات من رمز ثنائي إلى رمز أساسي 4 وتعيين واحد من أربعة أحرف. يحتوي الحمض النووي على كثافة بيانات أعلى من أنظمة التخزين التقليدية. جرام واحد يمكن تمثيلها ما يقرب من 1 مليار تيرابايت (1 جيت بايت) من البيانات. وهي وسيلة قوية: يمكن الاحتفاظ بالبيانات المخزنة لفترة طويلة – عقود أو حتى قرون.

لقد تحسن تخزين بيانات الحمض النووي بشكل كبير في السنوات الأخيرة ، مما أدى بشكل أساسي إلى بعض التحولات المبتكرة. على سبيل المثال ، قبل عامين ، نجح علماء ستانفورد النسخة المطبوعة ثلاثية الأبعاد من Stanford Bunny – نموذج اختبار نموذجي في رسومات الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد – حفظت تعليمات الطباعة لسلالة الأرنب. يحتوي الأرنب على حوالي 100 كيلو بايت من البيانات ، وذلك بفضل إضافة الجسيمات النانوية المحتوية على الحمض النووي إلى البلاستيك المستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد.

لكن استخدام الحمض النووي يمثل تحديات. على سبيل المثال ، عادةً ما يستغرق تخزين واسترجاع البيانات من الحمض النووي وقتًا طويلاً عند إعطاء جميع التسلسلات الضرورية. وما زالت قدرتنا على دمج الحمض النووي بعيدة جدًا عن التحول إلى وسيط تخزين بيانات عملي. لذلك اكتشف علماء آخرون إمكانية استخدام بوليمرات غير بيولوجية لتخزين البيانات الجزيئية. ومع ذلك ، فإن تكامل وتنقية البوليمرات الاصطناعية عملية مكلفة ومعقدة وتستغرق وقتًا طويلاً.

في عام 2019 مختبر وايتسايتس ثبت نجاحه تخزين المعلومات في المركبات المتاحة تجاريًا قليل الببتيدات على الأسطح المعدنية ، ليست هناك حاجة إلى تقنيات تجميع تستغرق وقتًا طويلاً وباهظة الثمن. استخدم المختبر مطياف الكتلة للتمييز بوزن الجزيئات لقراءة المعلومات المخزنة. ولكن لا تزال هناك بعض المشكلات ، خاصة عندما تم مسح المعلومات أثناء القراءة. أيضًا ، كانت عملية القراءة بطيئة (10 بت في الثانية) ، وقد ثبت أن تقليل الحجم يمثل مشكلة نظرًا لانخفاض حجم بقعة الليزر وزيادة الضوضاء في البيانات.

حتى Nagarkar و اخرين. قررت البحث عن الجزيئات التي يمكن تمييزها بصريًا بدلاً من الوزن الجزيئي. على وجه الخصوص ، اختاروا سبعة أصباغ فلورية متوفرة تجارياً بألوان مختلفة. من أجل “كتابة” المعلومات ، استخدم الفريق طابعة نافثة للحبر لإيداع محاليل صبغات الفلورسنت المختلطة في ركيزة إيبوكسية تحتوي على بعض المجموعات الأمينية التفاعلية. يخلق التفاعل اللاحق روابط أميد مستقرة ، مما يؤدي إلى قفل المعلومات بشكل فعال.