Een veelbelovende methode om alle kattenfilmpjes van het web op te slaan: inkt

Scheikunde Efficiëntere opslagmethoden zijn nodig om in het huidige tempo digitale bestanden te bewaren. Amerikaanse chemici komen met een nieuwe methode: kleurstoffen.

Digitale informatie is op te slaan in geprinte kleurdruppels. Amerikaanse wetenschappers van de Harvard Universiteit lukte het om informatie op te slaan met fluorescerende kleurstofmoleculen én weer uit te lezen. Daarover publiceerden ze twee weken geleden in ACS Central Science.

De digitale opslag van bestanden groeit hard. Als de huidige trend doorzet, zal wereldwijd de komende drie jaar net zo veel data worden opgeslagen als de afgelopen 30 jaar bij elkaar, schat marktonderzoeker IDC. De opslag van data kost veel stroom en de schijven waarop de data wordt bewaard gaan maar 10 tot 30 jaar mee.

Moleculaire opslag ontstond tien jaar geleden met het idee om bestanden in dna te bewaren. De natuur slaat daar immers heel veel informatie compact en voor lange tijd in op. Een paar foto’s en documenten opslaan lukte. De bestanden werden omgezet in een lange reeks van de letters A, C, T en G. Dat zijn de vier bouwstenen waaruit dna is opgebouwd. Elke letter staat voor een klein stukje informatie over de inhoud van een bestand. Net als de enen en nullen waarin bestanden op een harde schijf in je computer worden opgeslagen. In het lab kon dna gemaakt worden van precies die reeks A’s, C’s, T’s en G’s.

De Amerikanen zetten nu het eerste hoofdstuk van een wetenschappelijk artikel van de Britse wetenschapper Michael Faraday en een afbeelding van deze bekende onderzoeker om in kleine stippen fluoriserende kleurstof. Met een inkjetprinter druppelden de onderzoekers kleur voor kleur blauwe, licht- en donkergroene, gele, oranje, roze en rode kleurstofmoleculen op een plaatje van epoxyhars. Zo ontstaan rijen van stippen bestaande uit meerdere kleurstoffen. De aanwezigheid van een kleurstof staat voor een één en de afwezigheid ervan voor een nul. Met een microscoop lazen de onderzoekers het kleurenpalet van vier bij vier millimeter (de afbeelding van Faraday) weer uit.

Zeven bits per stip

Opslag in gekleurde stippen is efficiënter dan in dna of in harde schijven en solid state drives (ssd’s) in moderne computers. Bij een harde schijf kan elke opslaglocatie, genaamd cel, slechts één bit bevatten: een één of een nul. Er zijn ssd’s die twee of drie bits per cel opslaan. Bij dna zijn er vier bouwstenen. Maar kleuren kun je mengen, waardoor per locatie nog meer informatie kan worden bewaard. Bij dit onderzoek waren het zeven kleuren. Met een microscoop lazen de Amerikanen uit welke van de kleuren per stip wel en welke niet aanwezig waren. Zo konden ze uit één stip kleurstof zeven bits aan informatie aflezen.

De zeven kleurstoffen waarmee de onderzoekers werkten. Foto American Chemical Society

Dit is een „volslagen nieuwe methode”, reageert chemicus Hans Elemans, die aan de Radboud Universiteit onderzoek doet naar moleculaire dataopslag, enthousiast. Hij stuurde de nieuwe publicatie direct door naar de rest van zijn onderzoeksgroep.

De Amerikanen konden een afbeelding van Faraday na het schrijven niet meer aanpassen, maar wel duizend keer uitlezen zonder dat de kwaliteit zichtbaar verminderde. Aan langdurige opslag is veel behoefte. „Iedereen wil zijn kattenfilmpjes op Facebook zetten”, zegt Elemans. Nu komen die in energieslurpende datacentra terecht. Moleculaire opslag heeft volgens Elemans de potentie om vele keren minder stroom te verbruiken. Volgens een nieuwsartikel in Nature uit 2016 zou de wereldwijde hoeveelheid data opslaan in dna miljoenen keren minder energie verbruiken (minder dan 0,0000000001 watt per gigabyte).

De kleurstofmethode is flink goedkoper dan opslag in dna, schrijven de Amerikanen. Dna-opslag kost 450.000 euro of meer voor één gigabyte, opslag in kleurstof minder dan een cent voor 1.000 gigabyte. Daarnaast bevatten geheugenkaartjes, usb-sticks en ssd’s silicium. Dat zit niet in beide vormen van moleculaire-opslag.

Harde schijf is veel sneller

Ook kunnen de Amerikanen een bericht zo’n vijf keer sneller uitlezen dan wanneer informatie opgeslagen is in dna, waarbij het uitlezen van een simpel bericht uren kan duren. Dat is een hele vooruitgang binnen de moleculaire opslag, vindt chemicus Elemans, al is een harde schijf of ssd stukken sneller. Uit de kleurstof lazen de onderzoekers de afbeelding uit met 58 kilobytes per seconde. Een moderne ssd leest 3.500 megabytes per seconde of meer: ruim 60.000 keer sneller. Bij het wegschrijven van informatie is het verschil nog groter.

Ook moet worden onderzocht of de kleurstoffen over een langere periode niet vervagen. Bovendien zijn de kleurstippen nu nog vrij groot – ongeveer een haardikte. Omdat ze ook vrij ver uit elkaar staan, „zou op een even groot oppervlak van schijven die we nu gebruiken, slechts twee megabyte kunnen worden wegschrijven in plaats van honderden gigabytes”, berekende Elemans.

Maar er is nog veel te winnen: „Vergelijk het met computers uit de jaren zestig. Die vulden een hele ruimte – en moet je kijken waar we nu zijn”, zegt Elemans. Met een nieuwe Japanse printer zou twee gigabyte aan informatie op een centimeter passen, schrijven de Amerikanen. Dat is dezelfde orde van grootte als wat op magneetbanden past die nu gebruikt worden voor langdurige opslag.