Цитата Джейн Остин, закодированная в пластиковых молекулах, демонстрирует потенциал нового типа хранения данных

Слова «если одна схема счастья терпит неудачу, человеческая природа обращается к другой» были первоначально опубликованы в 1814 году в Мэнсфилд-парке Джейн Остин. В то время слова печатались с помощью революционных паровых принтеров, которые могли прокручивать более тысячи листов бумаги в час. С начала 2000-х годов можно было прочитать все работы Джейн Остин в Интернете, в том числе в Мэнсфилд-парке. Но с этого года в списке мест, где публикуются ее слова, появилось странное дополнение.

Фото: https://technative.io/

В новом исследовании команда из Техасского университета в Остине зашифровала цитату из Мэнсфилд-парка в крошечной пластиковой молекуле. Ученые надеются, что их исследование поможет доказать жизнеспособность нового типа технологий хранения данных. Ведь архивирование всегда было проблемой. Даже самые бережно хранящиеся и защищенные копии оригинального тиража Мэнсфилд-парка показывают свой возраст: чернила тускнеют, а бумага сморщивается. В то же время человечество производит больше данных, чем когда-либо. По текущим оценкам, это 1,145 триллиона мегабайт данных в день – если бы кто-то попытался загрузить все это, используя текущую скорость Интернета, это заняло бы почти два миллиарда лет.

По сути, огромные центры обработки данных, которые мы в настоящее время используем для хранения данных, не подходят для этой работы. Несмотря на постоянное развитие аппаратного и программного обеспечения, требования к более высокой вычислительной мощности и меньшим размерам компонентов означают, что отсутствие эффективного хранилища создает узкое место, и текущая система не может удовлетворить спрос. Поэтому ведется поиск более компактных, более стабильных и эффективных альтернатив цифровым жестким дискам.

Недавний исследовательский интерес упал на хранение данных ДНК – на развитие идеи строительных блоков жизни природа потратила миллионы лет, чтобы закодировать план нашего вида, как средство хранения и чтения нашей собственной истории и знаний. Молекула ДНК существует долгое время – 500 000 лет при правильном хранении, что намного превышает потенциальный срок службы бумаги и чернил на несколько порядков. Но он должен быть стерильным и требует осторожного обращения. Это может сделать хранение информации с использованием ДНК дорогим.

Но есть еще один класс материалов, которые, как известно, служат даже дольше, чем ДНК. Эти синтетические продукты, открытые столетие назад, обладают стабильностью, простотой производства и хранения, которые намного превосходят ДНК. Это пластмассы, или, более конкретно, полимеры, которые представляют собой длинноцепочечные молекулы, содержащие несколько повторяющихся звеньев, каждое из которых известно как мономер.

Исследователи подсчитали, что четыре пары оснований – пары строительных блоков ДНК – могут хранить 1019 бит информации на кубический метр. Но когда мы используем полимеры, у нас есть более четырех строительных блоков на выбор. Фактически, существует столько вариантов мономеров, сколько вы можете найти на коммерческой основе, так что есть потенциал для экспоненциального увеличения плотности информации.

Фото: https://www.info-nov.ru/

Для своих мономеров или строительных блоков команда из Техаса использовала шестнадцать различных аминоспиртов. Соединив их вместе, они создали восемнадцать более длинных молекул, называемых олигомерами, каждая из которых состоит из отдельных мономеров. В более длинных молекулах комбинации мономеров соответствуют определенным буквам, а более дешевые мономеры соответствуют более часто используемым буквам. При повторном чтении молекулы раскрывают цитату Джейн Остин из Мэнсфилд-парка: «если одна схема счастья терпит неудачу, человеческая природа обращается к другой; если первый расчет неверен, мы улучшаем второй: где-то мы находим утешение».

Исследователи выбрали этот отрывок, потому что они нашли его «воодушевляющим в эти тяжелые времена, и его легко понять без контекста в книге». На его основе команда определенно пришла к выводу, что «если первый расчет неверен, мы сделаем второй лучше». Их первый независимый эксперт, подтвердивший этот метод, смог восстановить только 98,7% данных. С некоторыми изменениями в процессе считывания они смогли вернуть полную расшифровку всех 158 последовательностей мономеров без ошибок.

Пластиковые хранилища данных

Пластик может быть не самым очевидным выбором для хранения данных, но с учетом этого он является чрезвычайно подходящим материалом для использования. С тех пор как мы начали массовое производство пластмасс, мы традиционно придерживались либо использования одного типа мономера для каждого продукта, либо простых комбинаций одного или двух мономеров. Они стали доминировать в нашем образе жизни.

Пластмассы устойчивы в нормальных условиях окружающей среды. Хотя во многих случаях это недостаток, например, когда они пробираются в окружающую среду. Но в некоторых случаях это действительно выполняет чрезвычайно полезные функции. За последние 50 лет исследователи добились замечательных успехов в уменьшении дисперсности (молекулярной вариации – обычно по массе или форме) синтетических полимеров и улучшении нашей способности контролировать распределение последовательностей мономеров.

Новое исследование, проведенное в Техасе, показало, что, выходя за рамки ДНК, вы можете закодировать более сложную информацию с гораздо меньшей длиной цепи из-за расширенного выбора доступных мономеров. Будущее использование, вероятно, будет зависеть от коммерческой доступности мономеров, например, от того, какие аминоспирты могут быть легко доступны из возобновляемых источников. Но потенциал огромен. Кодирование короткоцепочечных полимеров недалеко от кодирования ДНК, и процесс считывания последовательностей одинаков в обоих.

Фото: https://proteh.org/

Команда из Техаса планирует изучить узкие места, связанные с масштабируемостью этого метода, исследуя скорость и эффективность процессов записи и чтения. Хотя первоначальный бумажный текст Мэнсфилд-парка неизбежно исчезнет в ближайшие столетия, один небольшой его фрагмент сохранится на полимере, возможно, на столетия вперед – до тех пор, пока у нас есть доступное оборудование для его декодирования. Как гласит заключительный фрагмент цитаты, «где-то мы находим утешение».