上海交大樊春海、左小磊团队在Matter发表框架核酸大数据存储重要成果

　　

近日，上海交通大学樊春海、左小磊团队在Matter期刊上发表题为“Massively multiplexed optical recording with polychromatic DNA frameworks”的最新研究。该研究开发了一种基于DNA四面体结构的多色框架核酸（PDTF），实现了对其光物理性质的精确调控，展示出DNA框架结构作为下一代大数据存储介质在大规模多路复用光学存储领域的巨大应用潜力。该研究紧扣国家“十四五”规划中加快布局的“DNA存储”前沿领域，为海量数据存储奠定技术基础。

近年来，全球数据量呈现爆发式增长，研究表明到2040年全球存储数据量将达到1024~1028字节。IDC（国际数据公司）报告显示，2018年至2025年，中国数据圈将以30%的年平均增长速度领先全球，比全球高3%。预计到2025年，中国数据圈将增长至48.6 ZB（1 ZB=1×1012 GB），占全球数据圈的27.8%，并将成为全球最大的数据圈。如果使用DVD（存储容量为4.7 GB）存储这些数据，其总长度足以环绕地球62圈。如此庞大的数据量给当代存储技术（光盘、硬盘等）带来巨大挑战。因此，亟需发展适合海量数据存储以及长期存储的下一代存储技术。与磁带和硬盘等技术相比，光学数据存储提供了更高的存储容量和能源效率。然而，当前商用光学数据存储设备（如 CD、DVD、蓝光光盘）的特征点尺寸（pit size）和特征点间距（pitches）已达到物理极限，阻碍了存储容量的进一步提高。

基于单纳米颗粒的光学多路复用策略能在一定程度上提高数据存储密度。然而，单纳米颗粒的尺寸、形状、表面基团和电荷等物理性质难以精确调控，导致其发光特性不可控。因此，目前开发的基于纳米颗粒的光学多路复用技术无法产生多维度正交数据通道以满足大规模数据存储的需求。

为了应对上述挑战，研究团队开发了系列高度可编程的多色框架核酸（PDTF），实现了其光学性能的精确控制并将其应用于大规模多路复用光学数据存储。在本研究中，研究团队利用PDTF的高度可编程性实现了其尺寸12.6 nm~3.4 nm的精确调控（图1，上），并在单分子水平上对PDTF发光特性进行了精准调控。该研究编码了196（4700万）种存储基元，实现了多路复用光学数据存储（图1，下）。同时，PDTF表现出卓越的可擦除-重写性和稳定性（按阿伦尼乌斯方法估算，室温下保存10,826年），在高密度和长期数据存储应用中展现出巨大潜力。

图1 多色框架核酸（PDTF）应用于光学数据存储

Matter是Cell Press出版社继Chem，Joule之后推出的材料领域旗舰刊物，与Cell, Chem和Joule互为姊妹刊。稿件接收方向涵盖各个领域内的优秀先进材料的原理性研究及应用研究，包括生物材料，能源材料，光学材料，磁性材料等。旨在推进材料学在多个学科领域内的发展，推动先进材料的实用化发展进程。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.10.020

作者：

化学化工学院

供稿单位：

化学化工学院