DNA是每个生命体的遗传蓝图，同时也是一种密度极高的信息存储介质。每克DNA可存储约2.15亿吉字节的数据。将这种惊人的存储能力引入电子领域，有望推动数据中心提升效率、加快处理速度，并构建能够应对日益复杂信息需求的系统。
然而，如何让生物DNA与电子材料有效协同，一直是亟待克服的难题。宾夕法尼亚州立大学的研究人员现已开发出一种旨在解决这一兼容性问题的新方法。
该研究成果发表于《先进功能材料》期刊，并已提交专利申请。研究依托两种核心材料：其一是合成DNA，由市售化学工程分子构成，排列成专为特定电子需求定制的短遗传序列；其二是晶体钙钛矿，这种半导体已被广泛应用于太阳能电池、激光器和数据存储器件等领域。
"生物学与电子学属于两个截然不同的领域，"宾州州立大学材料科学与工程系博士后研究员、共同通讯作者Kavya S. Keremane表示，"要连接这两个领域，需要开发一套全新的材料平台，使二者能够无缝协作。通过将DNA的信息存储能力与钙钛矿半导体卓越的电子特性相结合，我们构建了一种生物混合系统，从根本上改变了低功耗存储器件的设计思路。"
构建低功耗存储器件
研究团队利用上述材料制造出一种存储电阻器，即"忆阻器"，其运行所需能耗极低。普通电阻器在从手机到航天飞机的各类设备中均保持固定阻值，断电后信息随之消失；而忆阻器则能保留此前电流活动的记录，即便断电后也能记住电流曾经流过的方向。
这一特性使信息得以在同一位置进行存储与处理，其工作方式与大脑神经元高度相似，从而支持更为并发、更为复杂的数据处理形式。然而研究人员指出，实用的商业系统仍需具备足够的存储容量和电力供应，若缺乏DNA将海量信息压缩于极小空间且低能耗运行的能力，系统成本与效率将面临严峻挑战。
"随着人工智能需求持续增长，我们需要为低功耗、高存储设备寻找新的解决方案，"宾州州立大学材料科学与工程研究教授、共同通讯作者Bed Poudel表示。
Poudel指出，AI及其他新兴技术预计将日益依赖神经形态计算——这种计算方式旨在模拟人脑的运作模式，能够同时评估多个输入，并综合过往经验与未来优先级做出决策。
"通常情况下，存储更多信息需要消耗更多电力。但我们的器件功耗比传统存储设备（如闪存）低100倍，而存储容量却更高。"
让DNA具备导电能力
在器件构建过程中，研究人员将银纳米颗粒加入一层定制DNA序列，这些序列在成分和长度上经过专门设计，并与钙钛矿薄膜相结合。
这种技术被称为"掺杂"，即向材料中引入少量其他物质以产生特定性能。在本研究中，加入银纳米颗粒使DNA获得了导电能力，同时也促使其分子单元排列得更为有序。
合成DNA还具有天然DNA无法比拟的另一重要优势。天然DNA是长而纠缠的链状结构，处理时如同湿意面般杂乱无章；而短而刚性的合成DNA片段则能在极小尺度上以更高精度进行排列。
宾州州立大学哈克生命科学研究院生物分子相互作用核心设施研究教授兼主任、共同作者Neela H. Yennawar指出，分子工程化DNA可提供天然DNA在薄膜集成中无法实现的结构组织性、可调电导率和功能控制能力。
"我们可以通过计算精确确定所需的序列及其长度，进而用合成DNA进行理性设计，"Yennawar说，"这些结构可以系统地用银和其他离子进行掺杂，并经工程化处理后与钙钛矿无缝对接，从而将DNA从生物大分子转变为可编程的多功能纳米材料平台。"
DNA与钙钛矿的协同效应
当两种材料结合后，银掺杂DNA与钙钛矿形成了生物混合导电通路，引导电流在器件中定向流动。
研究人员发现，在施加低于0.1伏特电压时——作为对比，美国标准家用插座电压为120伏特——电子能够稳定移动，且器件在电流方向改变时也呈现出可预测的响应。
精心设计的DNA结构与钙钛矿的结合还赋予了器件异常出色的稳定性。据研究团队介绍，该器件在接近250华氏度的高温下仍能稳定运行，并在室温下持续工作超过六周，大幅超越现有钙钛矿基存储器件的性能标准。
研究人员还报告称，该新型系统在实现相同存储功能的同时，功耗仅为同类技术的十分之一。这一效率水平使该方案对于面向未来、需以更低能耗处理海量信息的电子器件而言极具吸引力。
"单独使用DNA或钙钛矿，效果都远不如二者组合，"Keremane表示，"正是这种组合实现了极高的存储密度，同时只需极少的功耗。"
仿生电子学的新方向
研究团队计划进一步完善这项技术，并探索仿生电子系统的更多应用场景。
"大自然已经提供了解决方案，我们只需找到并加以应用，"Poudel说，"这项将DNA整合进电子器件以实现非凡功能的研究，为我们展示了未来的无限可能。"
除Keremane、Yennawar和Poudel之外，宾州州立大学的其他共同作者还包括：共同通讯作者、材料科学与工程系博士后研究员Luyao Zheng；材料科学与工程系博士生Haodong Wu；研究期间为材料科学与工程硕士生、现已毕业的Jiamao Zheng；研究期间为材料科学与工程教授的Shashank Priya；以及研究期间为哈克生命科学研究院硕士生、现已毕业的Chiranth C. Ravi。明尼苏达大学化学工程与材料科学系的Abhinav Gorthy及共同通讯作者Rashmi Jha也参与了本项研究。
本研究获得美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、宾州州立大学及明尼苏达大学的资助支持。
Q&A
Q1：DNA存储器件的功耗为何能比传统存储设备低100倍？
A：该器件采用合成DNA与晶体钙钛矿的生物混合结构，通过银纳米颗粒掺杂使DNA具备导电能力，并形成高效的生物混合导电通路。得益于DNA极高的信息存储密度，器件在极低电压（低于0.1伏特）下即可稳定运行，无需传统存储设备所需的较高能耗，从而实现了功耗降低100倍、存储容量更高的双重优势。
Q2：合成DNA与天然DNA在电子器件应用中有什么区别？
A：天然DNA是长而纠缠的链状结构，处理时如同湿意面，难以精确排列；而合成DNA由化学工程分子构成，片段短且刚性强，可在极小尺度上以更高精度排列。研究人员还能通过计算精确设计所需序列的成分与长度，并经银离子掺杂处理后与钙钛矿无缝集成，提供天然DNA无法实现的结构组织性和可调电导率。
Q3：这种DNA忆阻器的稳定性如何？能用于实际产品吗？
A：在稳定性测试中，该器件在接近250华氏度（约121摄氏度）高温下仍能稳定运行，并在室温下持续工作超过六周，大幅超越现有钙钛矿基存储器件的性能标准。目前研究成果已发表并提交专利申请，研究团队计划进一步完善技术并探索更多应用，距离实际商业产品仍需进一步开发。
热门跟贴