中美院校合作Nature Nanotech.：奇思妙想！利用丝素蛋白作数据内存卡，内存达64G！

小奇

2020-08-14

在过去的二十年中，已经开发出许多光刻策略，包括使用深紫外或极紫外光源、双光束系统和三维存储体系结构的光刻技术，以将光存储密度提高到数百GB/inch^-2。然而，为了获得高空间分辨率，这些方法中的许多不可避免地需要复杂的制造过程。在世纪之交，IBM描述了一种基于原子力显微镜（AFM）的数据存储方案，即“Millipede”，它有可能在30-40 nm空间分辨率的高数据读写速率下实现多TBinch^-2容量。虽然这项工作代表了技术上的飞跃，并导致了对基于探针的存储方案的进一步研究，但是商业应用仍然遥遥无期。

散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）为高分辨率纳米加工（特别是在软材料上）提供了有前景的选择，并且可以实现超出衍射极限的超分辨率成像。由于中红外s-SNOM具有微创、无需真空、对蛋白质构象敏感等特点，因此也适用于生物材料的纳米尺度表征。通过开发中红外s-SNOM的光刻功能，同时保留其成像功能，可以将纳米级操作和功能性生物材料的表征集成到单个平台中。这种闭环光刻平台可以简化生物纳米加工，并为生物信息的存储和操作提供基于探针的存储方案。

为了提高光刻效率并随后在生物材料中存储信息，必须优化介质材料、入射光和扫描头特性之间的协同作用。那选取何种生物材料方才合适呢？

于此，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Wei Li、上海微系统所陶虎、周志涛和美国石溪大学刘梦昆等人把目光转向源自蚕丝的丝素蛋白，研究了具有高度生物相容性的丝素蛋白作为可重写光学存储介质，使用尖端增强的近场红外纳米光刻（TNINL）诱导丝素蛋白层的受控形貌和或相变，可实现64 GB inch^-2的存储容量，可以重复写入和擦除。还可以在恶劣的条件下（高湿度，高磁场和临床水平的伽马射线）保留信息。相关成果发表在Nature Nanotechnology上

原位构建图案

为了制备蚕丝存储器，通过将从蚕茧中提取的蚕丝水溶液旋涂在金或硅基底上制成薄膜。使用s-SNOM和量子级联激光器作为单色中红外激光源，对该制备的丝膜进行纳米图案化。金基底上约150 nm厚的丝膜上随时间变化的高度变化表明，图案可在10 ms内完成。

图|使用TNINL进行原位图案化和表征

图案化机制

1）电磁仿真实验表明，较尖的尖端会导致更好的场限制，从而导致更好的光刻分辨率。

2）镀金基底和镀金探针之间的等离子耦合极大地增强了场振幅，这有助于更强的辐射热传递给丝素蛋白，并导致更大的薄膜改性，即更高的灵敏度和更锋利的边缘。

3）丝素蛋白本身也会影响图案，细粒度丝具有更好的空间分辨率，而粗粒度丝则产生较大的图案。

4）此外，TNINL还依赖于激光频率和功率。

图|TNINL的机制

无失真的数字信息存储和重写

可以轻松制作出各种图案包括零维纳米点、一维线图案、二维形状和“UT”标志，并允许制造更复杂的纳米结构。此外，蚕丝薄膜可以制成高密度纳米点阵列，可作为数据存储设备。在对文件进行解码和重建试验中，图像和音频均无失真，这说明了其数据储存的可靠性。

图|TNINL介导的丝素蛋白储存器模拟和数字图案

通过使用不同的激光功率感应出三种图案类型（I，II和III型），可实现删除并重写丝素蛋白光盘上的数据。发现了两种删除先前创建的纳米点图案的主要方法。第一种方法依赖于丝绸的热降解，而第二种方法则依赖于在小部分丝素蛋白中引起玻璃化转变，即I型图案化。结果表明，第二种方法更具优势，因为它不会导致样品发生明显的热降解，并且可以无限期地重复。

图|在丝素蛋白储存器上写入和擦除数据

具有生物相容性和生物功能

原则上，高度交联的丝素蛋白可以在环境条件下存储很多年而无明显变化。交联使丝素蛋白对各种苛刻条件具有更强的抵抗力，因此可以用于调整丝素蛋白的性能以满足特定需求。

在性能测试试验中，结果表明，丝素蛋白存储器能在高湿度、高磁场或强辐射等恶劣环境下长期稳定工作，而且，其装载的生物标志物的活性和信息仍得以保留。通过使用木瓜蛋白酶可实现可控降解，这在可植入设备、安全数据存储和或数据隐藏中特别有用。此外，植入体内一周后取出，交联的丝素蛋白上的纳米图案几乎保持完整，并且已成功检索到所存储的信息。

图|高度坚固性和生物学相关功能

小结：

本文所述的TNNLL是一种通用的纳米图案化方法，其能够操纵丝素蛋白的形貌和构象，并介绍了丝素蛋白存储器作为一种能够存储数字和生物信息的生物功能光学存储介质。随着对扫描探针光刻技术的最新发展的进一步优化和利用，有望进一步提高丝素蛋白存储器的速度和存储容量。在可预见的将来，丝素蛋白存储器不太可能以具有竞争力的成本与最先进的固态设备的速度和存储容量相匹配。然而，这里概述的丝素蛋白存储器的独特功能集为生物集成电子学和纳米制造提供了新的机会。