15.10.2021 - Harvard University

Forscher verwenden Farbstoffe zum Speichern von Daten

Farbstoffmethode verspricht langfristige Datenspeicherung - Tausende von Jahren oder mehr: Start-up sucht nach Möglichkeiten für Partnerschaften

Im digitalen Zeitalter muss jedes Byte an Daten irgendwo gespeichert werden - und das am besten für eine lange Zeit. Letzteres ist ein großes Problem, wenn es um Datenspeichersysteme geht, die in der Regel weniger als 20 Jahre halten. Eine Gruppe von Harvard-Chemikern versucht, dieses Problem mit einer Innovation zu lösen, die winzigen Tintentropfen ähnelt.

In einer neuen Veröffentlichung in ACS Central Science beschreiben Forscher aus dem Labor von George Whitesides einen neuartigen Speicheransatz, bei dem Mischungen aus sieben handelsüblichen fluoreszierenden Farbstoffen zur Speicherung von Dateien verwendet werden. Die Farbstoffe werden von einem Tintenstrahldrucker abgeworfen und mit einem Mikroskop gelesen, das die verschiedenen Wellenlängen des Lichts, das jeder Farbstoff aussendet, erkennen kann. Die Forscher entschlüsseln dann die binäre Botschaft in den Molekülen zurück in Dokumente, Bücher, Fotos, Videos oder alles andere, was digital gespeichert werden kann.

Theoretisch können die Daten für eine sehr lange Zeit gespeichert werden - Tausende von Jahren oder mehr. Die lange Zeitspanne der molekularen Datenspeicherung ist besser als die der aktuellen Medien zur Datenspeicherung, wie Flash-Laufwerke, Blu-rays, magnetische Speicherstreifen und Computerlaufwerke, die Informationen höchstens 40 Jahre lang speichern können, strenge Größenbeschränkungen haben und anfällig für Wasserschäden und Hackerangriffe sind. Ein weiteres Manko herkömmlicher Speicherverfahren ist, dass sie viel Energie verschlingen. Auch die Cloud hat ein Speicherlimit, erfordert riesige und teure physische Server und ist natürlich anfällig für Einbrüche.

"Diese Methode könnte den Zugang zur Archivierung von Daten zu geringen Kosten ermöglichen", so Amit A. Nagarkar, einer der Hauptautoren der Studie, der als Postdoktorand im Labor von Whitesides an der Forschung beteiligt war. "[Es] ermöglicht den Zugang zu langfristiger Datenspeicherung unter Verwendung bestehender kommerzieller Technologien - Tintenstrahldruck und Fluoreszenzmikroskopie."

Die Farbstoffmethode könnte vor allem bei Informationen hilfreich sein, deren Speicherung reglementiert ist - zum Beispiel bei Finanz- und Rechtsunterlagen - und in Fällen, in denen eine langfristige Speicherung entscheidend ist, wie bei Satellitendaten. Die Farbstoffe leben außerhalb des hackbaren Internets, sind relativ billig in der Herstellung und können ohne ein spezielles Mikroskop nicht gelesen werden. Sobald die Daten aufgezeichnet sind, verbraucht die Technik keine Energie mehr.

Die Farbstoffmoleküle werden auf eine Epoxidharzoberfläche getropft, an die sie sich chemisch binden und so die Informationen festhalten. Um die Informationsbits in den verschiedenen Farbstoffen zu übersetzen, verwendeten die Forscher den American Standard Code for Information Interchange. Jede Zahl, jeder Buchstabe und jedes Pixel in den Daten, die sie speichern wollen, wird durch eine Gruppe von Einsen und Nullen dargestellt, je nachdem, ob ein bestimmter Farbstoff vorhanden oder nicht vorhanden ist. Das verwendete Fluoreszenzmikroskop erkennt die Anwesenheit oder Abwesenheit der Farbstoffmoleküle. Wenn sie wissen, welche Farbstoffe vorhanden sind, können sie die binäre Nachricht entschlüsseln. Die Forscher berichten, dass die Informationen mit einer Genauigkeit von 99,6 Prozent gelesen werden können. Auf einer Fläche von 7,2 mal 7,2 Millimetern konnten sie mit den Farbstoffen 1.407.542 Bytes an digitalen Informationen schreiben.

Harvard hat die Technologie an ein neues Unternehmen für digitale Datenspeicherung lizenziert, das von Nagarkar, Whitesides, dem Woodford L. und Ann A. Flowers Universitätsprofessor, und den ehemaligen Postdocs Michael Fink und Alexei Ten mitbegründet wurde, um die Methoden zu einem kommerziellen Produkt zu entwickeln. Das Unternehmen befindet sich noch in der Anfangsphase und sucht nach Möglichkeiten für Partnerschaften mit Datenspeicheranbietern.

Die jüngste Arbeit baut auf früheren Arbeiten des Whitesides-Labors auf, in denen Forscher Peptide zur Speicherung digitaler Informationen verwendeten.

Seit Jahren erforschen Wissenschaftler die Verwendung verschiedener Moleküle und sogar synthetischer DNA zur Speicherung von Informationen, einschließlich GIFs, Text und Musik, und scheiterten dabei an Faktoren wie den Kosten und der langsamen Lese- und Schreibgeschwindigkeit dieser Technologien. Die Farbstoffmethode bietet eine verlockende Alternative, da sie schnell und kostengünstig ist. Das System schreibt Informationen mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 128 Bit pro Sekunde und liest sie mit einer Geschwindigkeit von 469. Das ist vermutlich die schnellste gemeldete Lesegeschwindigkeit aller molekularen Informationsspeicherverfahren.

Zur Demonstration speicherten die Forscher eine bahnbrechende Arbeit von Michael Faraday zusammen mit einem JPEG-Bild des englischen Physikers und Chemikers aus dem 19. Jahrhundert. Sie wählten Faraday wegen seiner grundlegenden Arbeiten über Elektromagnetismus und Chemie, die den Weg für die Elektrizität als praktische Technologie ebneten und schließlich zum modernen Informationszeitalter führten, so Samuel Root, Postdoktorand im Whitesides-Labor und Mitautor der aktuellen Arbeit.

Die Forscher glauben, dass Methoden zur Datenspeicherung wie die Farbstoffinnovation im 21. Jahrhundert immer wichtiger werden. "In Zukunft werden wir große Datenmengen speichern müssen, da unsere Gesellschaft zu einer digitalen Gesellschaft übergeht", so Nagarkar.

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