科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將合成DNA與半導(dǎo)體材料鈣鈦礦結(jié)合，研發(fā)出一種全新的“生物—電子”存儲(chǔ)設(shè)備，將DNA海量信息存儲(chǔ)能力與鈣鈦礦出色的電子性能合二為一，存儲(chǔ)密度更高，功耗僅為傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備的百分之一。這項(xiàng)突破有望顛覆低功耗存儲(chǔ)設(shè)備的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，相關(guān)成果發(fā)表于新一期《先進(jìn)功能材料》雜志。

DNA作為自然界最強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，每克可存儲(chǔ)高達(dá)2.15億GB的數(shù)據(jù)。如果能將這一潛力引入電子領(lǐng)域，將帶來(lái)能效更高的數(shù)據(jù)中心、處理能力更強(qiáng)的計(jì)算設(shè)備。而這次的關(guān)鍵突破在于，讓DNA與電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效對(duì)接。

團(tuán)隊(duì)首先將銀納米粒子“植入”一段精心設(shè)計(jì)的合成DNA鏈中，再將其與鈣鈦礦薄膜融合。這一“摻雜”工藝能精準(zhǔn)調(diào)控材料性能，讓DNA獲得導(dǎo)電能力，并以更高的結(jié)構(gòu)有序度排列其單元。與天然DNA那種“濕面條”般的糾纏結(jié)構(gòu)不同，合成DNA片段短而堅(jiān)固，可在納米尺度實(shí)現(xiàn)真正精密的構(gòu)造。

測(cè)試結(jié)果顯示，摻雜銀和鈣鈦礦的DNA形成了一種獨(dú)特的“生物—電子混合通道”，當(dāng)施加低于0.1伏的電壓時(shí)，電子就能穩(wěn)定流過(guò)。當(dāng)電流方向切換，設(shè)備也能迅速響應(yīng)。更令人驚喜的是，這款設(shè)備可在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)6周，遠(yuǎn)超同類鈣鈦礦存儲(chǔ)器的表現(xiàn)，且功耗僅為傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備的百分之一，存儲(chǔ)密度卻更高。

這種新型存儲(chǔ)器本質(zhì)是一種“憶阻器”，不同于普通電阻斷電即失憶，它在斷電后仍能記住電流方向，具備在同一位置存儲(chǔ)和處理信息的能力。這一特性與人類神經(jīng)元的工作方式極為相似，為實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的“類腦計(jì)算”提供了可能。

團(tuán)隊(duì)表示，隨著人工智能技術(shù)對(duì)算力和能效的要求不斷攀升，像這樣兼具低功耗與高存儲(chǔ)性能的新型設(shè)備將變得愈發(fā)關(guān)鍵。未來(lái)他們將繼續(xù)優(yōu)化這一技術(shù)路徑，探索更多生物啟發(fā)電子應(yīng)用的新可能。

總編輯圈點(diǎn)

這項(xiàng)成果最重要的啟示，在于它揭示了生物材料與半導(dǎo)體融合的可能方向。通過(guò)在分子層面實(shí)現(xiàn)DNA與鈣鈦礦的精準(zhǔn)耦合，科學(xué)家正在搭建起一條“生物+電子”的混合通道，讓信息存儲(chǔ)技術(shù)從傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，向生物啟發(fā)式設(shè)計(jì)演進(jìn)。未來(lái)，我們使用的存儲(chǔ)器或處理器，可能不再純粹由硅基材料構(gòu)成，而是融入經(jīng)過(guò)工程改造的生物分子結(jié)構(gòu)，從而在納米尺度上實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的信息存儲(chǔ)與處理。