Datenspeicherung in Polymeren durch chemisches Prägen
Gastbeitrag von Univ-Prof. Dr. Oliver Brüggemann, Vorstand des Instituts für Chemie der Polymere an der JKU Linz
25.03.2021
Datenspeicherung auf molekularer Ebene durch das Prägen in Polymere hat besondere Vorteile: Die Technik ist unkompliziert und die verschlüsselten Daten lassen sich mit Standardverfahren wieder auslesen.
Dass Polymere Träger von Informationen sein können und sogar die Datenträger schlechthin sind, zeigt die von der Natur entwickelte DNA, die es Organismen seit Milliarden Jahren ermöglicht, Erbinformationen zu speichern und abzurufen. Mit der vor einigen Jahren entwickelten Technologie zur künstlichen Herstellung von DNA ergab sich die Möglichkeit, die Sequenzen der Nukleobasen in den DNA-Strängen derart zu definieren, dass digitale Informationen wie Texte, Bilder, Audio- und Videodateien in diesen DNA-Polymeren speicherbar wurden (Quelle siehe Infokasten).
DNA-Speicher sind langlebig
Die zugrunde liegenden binären Codes dieser Dateien wurden dabei über einen zuvor festgelegten Schlüssel in genau definierte Abfolgen von Nukleobasen übersetzt. Diese Entwicklung motivierte IT-Firmen wie z.B. Microsoft ab dem Jahr 2015, in DNA-Speichertechniken zu investieren. Die IT-Branche ist seit geraumer Zeit auf der Suche nach Alternativen zu herkömmlichen Speichermedien wie Festplatten oder Disks. Denn diese sind nur von begrenzter Haltbarkeit und können außerdem die in einer digitalen Welt exponentiell wachsenden Datenmengen nicht mehr aufnehmen. DNA-Ketten weisen unter geeigneten Bedingungen wesentlich höhere Datendichten kombiniert mit längerer Lebensdauer auf.
Komplementäre Codes
Unsere Technik zur Datenspeicherung auf Basis des molekularen Prägens mit sequenzdefinierten Templates wie Proteinen oder Peptid-Nukleinsäuren, die als Prägestempel fungieren, ist hingegen unkomplizierter. Dabei können Sequenzen von chemischen funktionellen Gruppen, die – ähnlich wie in DNA – binären Codes entsprechen, durch das Prägen direkt in Standard-Polymere wie z.B. vernetzte Acrylate übertragen werden. Bei diesem von uns bereits im Jahr 2013 erdachten Verfahren hinterlassen die in Template-Molekülen genau definierten Abfolgen zweier verschiedener funktioneller Gruppen, die Reihen von Nullen und Einsen darstellen, durch den Prägevorgang komplementäre Abfolgen funktioneller Gruppen in den Polymeren, also komplementäre Codes.
US-Patent erteilt
Schwieriger gestaltet sich das Herauslesen der Codes, was allerdings in der DNAbasierten Datenspeicherung ebenfalls aufwändig ist. Nach einigen Forschungsarbeiten zu diesem Thema wurde meinem Team – Klaus Mosbach, Jacqueline Wolfschlucker und mir – im Herbst 2020 dafür das US-Patent erteilt. Vielleicht können wir mit unserer Technologie einen Beitrag zur Zukunft der Datenspeicherung liefern. Darüber hinaus könnten mit unserem speziellen Ansatz auf molekularer Ebene Daten auf Kunststoffe übertragen werden, um im Falle des Recyclings oder bei Reklamationen genaue Informationen über den Kunststoff und seine Zusammensetzung abrufen zu können. Und nicht zuletzt könnten im Rahmen forensischer Untersuchungen molekular kodierte Kunststoffe die Aufklärung von Straftaten ermöglichen.
Veranstaltungstipps
Von 7. bis 9. April 2021 findet die KC Materials Week - Alles im „grünen“ Bereich? - statt. Am 3. Tag (9. April 2021) informiert unter anderem Oliver Brüggemann über „Smarte Materialien mit Langzeitgedächtnis“.
>> Mehr Infos