Data opslaan op een dun draadje: een stap dichterbij

Slaan we over 20 jaar digitale informatie op op een fietsband of een lange plastic draad? Scheikundigen van de Radboud Universiteit en de Rijksuniversiteit Groningen zijn een belangrijke stap verder in het ontwikkelen van een nieuwe technologie, waarbij informatie weggeschreven wordt op een keten van moleculen. Het is nu mogelijk om met licht controle uit te oefenen op de schrijfkop die een 0 of een 1 schrijft, de manier waarop een harde schijf informatie opslaat. De onderzoekers beschrijven hun resultaten in Nature Communications op 20 oktober.

Door het toenemende internetgebruik wordt onze wereldwijde behoefte aan dataopslagcapaciteit alsmaar groter. 'Als we in dit tempo doorgaan, hebben we in 2040 ongeveer 2000 miljard harde schijven nodig. We hebben nooit genoeg silicium om zoveel harde schijven te bouwen', vertelt Roeland Nolte, hoogleraar Moleculaire Nanotechnologie aan de Radboud Universiteit. 'Daarnaast verbruiken de huidige datacenters al meer energie dan heel Groot-Brittannië in een jaar.'

Nieuwe manieren van energiezuinige en efficiënte dataopslag zijn dus hard nodig. 'Technologieën die je nu ontwikkelt, kunnen pas over 10 of 20 jaar toegepast worden, daarom moeten we er nu al aan werken’, zegt Nolte.

Links of rechts, nul of één

Met een subsidie van de European Research Council werken Radboud-onderzoekers aan een veelbelovende en goedkope manier van dataopslag op lange synthetische draden. ‘Polymeren, ketens van moleculen die steeds opnieuw worden herhaald, hebben veel voordelen, je kunt er alles van maken wat je wil.’ Medeonderzoeker en nanochemicus Hans Elemans denkt dat het mogelijk is om met deze technologie alle data ter wereld op één autoband weg te schrijven.

Hoewel wetenschappers al bezig zijn om op DNA-ketens (natuurlijke polymeren) informatie vast te leggen, is schrijven op kunstmatige polymeren nog niet eerder gedaan. Hiervoor willen de onderzoekers zuurstofatomen in de vorm van zogenaamde ‘epoxide moleculen’ op de ketens inbouwen, waarbij er twee soorten verbindingen zijn: links- of rechts-draaiend, oftewel een nul of een één. Als 'schrijfkop' gebruiken zij een zelfgebouwde moleculaire machine. Al eerder toonde de Nijmeegse onderzoeksgroep al aan dat deze techniek werkt en snel is. Probleem was echter nog dat er geen controle was over de schrijfkop. Het werd een chaos van nullen en enen.

De schrijfkop beweegt over de lange keten van moleculen (polymeer) en bindt zuurstofatomen in de vorm van een links- of rechtsdraaiend epoxide (rode en blauwe bollen) aan het polymeer. Dit kan gezien worden als het schrijven van nullen of enen aan de keten, de manier waarop een harde schijf informatie opslaat.

Moleculaire machine

Na wat sleutelen aan de schrijfkop is het de onderzoekers recentelijk gelukt om de kop een voorkeursrichting te geven, links- of rechtshandig. In hun laatste publicatie demonstreren de onderzoekers nu ook dat er tussen deze voorkeursposities heen en weer geschakeld kan worden met licht. ‘Dit is een belangrijke voorwaarde om te kunnen regelen of de schrijfkop een nul of een één schrijft’, zegt Elemans.

Dit hebben ze voor elkaar gekregen door een extra moleculaire machine op de schrijfkop te bouwen. Deze kan gerichte bewegingen uitvoeren onder invloed van licht, een ontdekking waar Ben Feringa, hoogleraar Organische Chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen en mede-auteur van de publicatie, in 2016 de Nobelprijs voor ontving. Dit machientje kun je zien als een schoepenrad dat draait als er licht op wordt geschenen. Daardoor draait de schrijfkop mee en verandert het van links- naar rechtshandig of andersom.

Nu controle over de schrijfkop uitgeoefend kan worden, is de volgende stap om daadwerkelijk nullen en enen op de streng te gaan schrijven. ‘Dit kan morgen al lukken, maar het kan ook nog een jaar duren. Dat kunnen we helaas lastig voorspellen’, zegt Elemans.

Publicatie

Gilissen, P.J., White, P.B., Berrocal, J.A. et al. Molecular motor-functionalized porphyrin macrocycles. Nat Commun 11, 5291 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19123-y

Meer weten? Neem contact op met

  • Roeland Nolte, r.nolte [at] science.ru.nlclass="externLink"
  • Hans Elemans, j.elemans [at] science.ru.nlclass="externLink"
  • Persvoorlichting & Wetenschapscommunicatie Radboud Universiteit, 024 361 6000, media [at] ru.nl

Aan deze website wordt nog gewerkt. Meer informatie: 'een nieuwe website'.