"Молекулы могут хранить информацию в течение очень длительного времени, не нуждаясь в энергии. Природа дала нам принципиальное доказательство того, что это работает", - говорит автор-корреспондент и инженер-электрик Правин Пасупати из Техасского университета в Остине. "Это первая попытка записать информацию в строительный блок из пластика, который затем может быть считан с помощью электрических сигналов, что делает нас на шаг ближе к хранению информации в повседневном материале".

Традиционные устройства хранения данных, такие как жесткие диски и флэш-накопители, имеют недостатки, такие как высокие затраты на техническое обслуживание, энергопотребление и короткий срок службы, что делает их непригодными для долгосрочного архивирования данных. Молекулы могли бы стать альтернативным вариантом, и предыдущие исследования показали, что ДНК и синтетические полимеры могут быть сконструированы для эффективного хранения информации. Однако для расшифровки этих молекул обычно требуется дорогостоящее оборудование, например, масс-спектрометры.

Чтобы создать молекулярные сообщения, которые было бы легче записывать и читать, команда решила попробовать другой подход: создать молекулы, содержащие электрохимическую информацию - метод, позволяющий декодировать сообщения с помощью электрических сигналов.

"Наш подход потенциально может быть расширен до более компактных и экономичных устройств по сравнению с традиционными системами на основе спектрометрии", - говорит старший автор и химик Эрик Анслин из Техасского университета в Остине. "Это открывает захватывающие перспективы для сопряжения химического кодирования с современными электронными системами и устройствами".

Для начала команда создала алфавит символов, используя четыре различных мономера, или молекулярные строительные блоки с различными электрохимическими свойствами. Каждый символ был составлен из различных комбинаций четырех мономеров, что дало в общей сложности 256 возможных символов. Чтобы протестировать метод, они использовали молекулярный алфавит для синтеза цепочечного полимера, представляющего собой пароль из 11 символов ('Dh&@dR%P0W¢'), который они впоследствии расшифровали, используя метод, основанный на электрохимических свойствах молекул.

Метод расшифровки, разработанный командой, использует тот факт, что некоторые цепочечные полимеры можно расщепить, удаляя по одному строительному блоку за раз с конца цепочки. Поскольку мономеры были сконструированы таким образом, чтобы обладать уникальными электрохимическими свойствами, это поэтапное разрушение приводит к появлению электрических сигналов, которые могут быть использованы для расшифровки последовательной идентификации мономеров внутри полимера.

"Напряжение дает вам одну часть информации - идентичность мономера, который в данный момент разлагается, - и поэтому мы сканируем при разных напряжениях и смотрим этот фильм о расщеплении молекулы, который сообщает нам, какой мономер разлагается в определенный момент времени", - говорит Пасупати. "Как только мы точно определим, какие мономеры где находятся, мы сможем собрать это воедино, чтобы получить идентичность символов в нашем закодированном алфавите".

Одним из недостатков метода является то, что каждое молекулярное сообщение может быть прочитано только один раз, поскольку расшифровка полимеров предполагает их разрушение. Процесс расшифровки также требует времени - около 2,5 часов для 11-символьного пароля, - но команда работает над методами ускорения процесса.

"Хотя этот метод еще не устраняет разрушительные или трудоемкие аспекты секвенирования, он делает первый шаг к конечной цели - разработке портативных интегрированных технологий хранения данных на основе полимеров", - говорит Анслин. "Следующим шагом является сопряжение полимеров с интегральными схемами, где компьютерные чипы становятся системой считывания хранимой информации".

Это исследование было поддержано Фондом Кека, Национальным научным фондом, ARO и кафедрой реактивов Уэлча.