Dataopslag is van alle tijden. In den beginne waren er bijvoorbeeld hiëroglyfen, op steen en muren aangebrachte tekens. Nu lijkt het mogelijk een autoband te gebruiken om megaveel data te verwerken als oplossing voor de bijna niet meer te verwerken vloedgolf aan gegevens. De Radboud Universiteit probeert een bouwsteentje bij te dragen aan de nabije toekomst waarin dit mogelijk zal zijn.
De bezigheden van de onderzoekers in Nijmegen passen in een al langere traditie. Dat maken betrokken onderzoekers dr. Hans Elemans (hoofddocent) en prof. dr. Roeland Nolte (emeritus hoogleraar) in een Zoom-interview duidelijk.
“We zijn een kleine onderzoeksgroep, bezig op supramoleculair gebied,” licht Elemans toe. Officieel wordt dat moleculaire nanotechnologie genoemd. “In 1987 is er op dat gebied al eens de Nobelprijs uitgereikt. En in 2016 weer, nu voor de Nederlander Feringa.”
De laatste is bekend geworden als de bedenker van de zogenaamde moleculaire motor, die in Nijmegen wordt gebruikt om te pogen een aanzet te geven voor een nieuwe methode voor opslag van data. De moleculaire machine bevat een minuscule motor, 80.000 keer kleiner dan een haar, die aangestuurd kan worden door licht.
Oplossing opslag data
Het vinden van een oplossing voor de datatsunami is een speurtocht naar de graal, waaraan de naar eigen zeggen dus kleine onderzoeksgroep een zetje wil geven. Capaciteit, kosten, houdbaarheid en energie stellen grenzen aan wat nu mogelijk is voor dataopslag.
Elemans over de noodzaak: “Bedenk even dat je in 2005 nog 0,12 zettabyte (1 ZB = 1021 byte, red.) aan dataopslag nodig had en dat het nu 44 zettabyte is geworden. Dat worden er 2.000 in 2040, als je extrapoleert. Het lijkt of we er recht op hebben, maar opslag van gegevens kost wel wat. Het vergt heel veel capaciteit in en aan datacentra en ook steeds meer energie. Voor die datacentra raakt trouwens de hoeveelheid silicium, die nodig is voor het maken van harde schijven, eens op. ”
De Nijmeegse wetenschapper geeft enkele illustraties wat de uitdijende data betekenen. “In 2015 was er sprake van 416 terrawattuur aan energie die voor opslag nodig was. Dat is meer dan het Verenigd Koninkrijk in dat jaar verbruikte, namelijk driehonderd terrawattuur. Of neem driehonderd keer Googlen. Dat staat gelijk aan een liter water koken.”
Synthetische polymeren van autoband
Het moet efficiënter. Kern van de Nijmeegse inspanningen is opslag op moleculair niveau mogelijk te maken, om precies te zijn data op molecuulketens. Daarvoor worden synthetische polymeren in de vorm van lange draden gebruikt. “Die zijn in principe heel stabiel. Vergelijk het maar met boeken of cd’s die maar een beperkte houdbaarheid en capaciteit hebben. Zo gaan boeken hooguit vijfhonderd jaar en dvd’s of cd’s vijftig jaar mee. Het opslagpotentieel van polymeren is veel groter en ze zijn wel vijfduizend jaar houdbaar.”
Met die kennis is het voorbeeld van de autoband relevant. Elemans gelooft dat alle data in de wereld op een enkele autoband zijn vast te leggen met behulp van deze technologie. Het is daarom dat er wordt geëxperimenteerd met polybutadieen, een goedkoop hoofdbestanddeel van een autoband.
Hij legt uit waar het bij hen en een recente publicatie in Nature Communications om draait. “Het probleem is tot nu toe de schrijftijd. Hoe dat sneller kan, daar komen wij in beeld.”
De ‘truc’ is om nullen en enen met behulp van licht te kunnen schrijven op superklein niveau. Voor een leek ziet het er een beetje uit als bezig zijn met naald en draad. Wetenschappers hebben het opslaan van informatie op DNA-ketens (natuurlijke polymeren) al gerealiseerd en bij kunstmatige polymeren worden de eerste stappen gezet. Om dit te doen, beweegt de moleculaire lees-/schrijfkop van de al genoemde moleculaire machine langs de lange molecuulketen (polymeer) en legt zuurstofatomen in de vorm van links-of rechtsom georiënteerde epoxidebindingen vast. Het is te vergelijken met het schrijven van nullen of enen op de molecuulketen, op dezelfde manier als dat op een harde schijf gebeurt. De techniek werkt en is snel.
Controle schrijfproces met licht
Polybutadieen is geschikt voor het uitproberen omdat het simpele polymeerketens zijn die dubbele bindingen bevatten. Die bindingen laten zich met een katalysator omzetten in epoxides die twee kanten op kunnen, te vergelijken met een nul of een een.
Het probleem was bij dat schrijfproces het gebrek aan controle over wat een ‘nul’ werd en wat een ‘een’. Na wat gesleutel lijkt het dat dit gestuurd kan worden met behulp van licht. Een volgende stap is het daadwerkelijk schrijven van nullen en enen op een synthetische draad. Wanneer dit lukt, is nog onbekend.
Nolte vult aan hoe bijzonder de werkmethode is: “Wat betreft het werken met de moleculaire machine voor synthetische polymeren zijn wij het verst. Dat schrijven op synthetische polymeren met de moleculaire machine is niet eerder gedaan. Je hebt ook Microsoft company. Maar die richt zich op het schrijven op DNA omdat dat gemakkelijker is, niet met een machine zoals wij dit doen. Bovendien schrijven ze op niet heel lange ketens, hetgeen een nadeel is. Ons systeem werkt nog niet volledig. Maar de kop is er af wat betreft de mogelijkheid om data te gaan schrijven. Het zou heel mooi zijn als het lukt. Zelf ben ik al met emeritaat en zal waarschijnlijk actief niet meer meemaken dat onze methode zich ontwikkelt zoals we hopen. Maar collega Elemans gaat verder met het project.”
Er is gekozen voor synthetische polymeren om niet afhankelijk te zijn van water, zoals bij het natuurlijke DNA. En in het laatste geval wordt dan uitlezen trager. Synthetische polymeren zijn ook stabieler, denk aan het moeilijk vergaanbare plastic op de oceaan. Daarnaast kunnen chemici ook van alles maken.
Informatie opslaan op moleculair niveau
Nolte is echt de man die denkt dat het schrijven en opslaan van informatie op moleculair niveau de toekomst is. Nog na zijn emeritaat in 2009 kreeg hij tweemaal, in 2011 en 2017, een ERC Advanced grant. Dat is een beurs van 2,5 miljoen, voor het nieuwe idee om informatie op te slaan op een plastic draad.
Het kan wel twintig jaar duren voordat het zover is, dat het praktisch toepasbaar wordt. Lukt het met de nieuwe schrijfwijze standaard nullen en enen aan te brengen op synthetische polymeren zoals het rubber van een band, dan is het de vraag of de aangebrachte data makkelijk te lezen zijn. Ze moeten niet in een vrijwel onneembare ‘kluis’ komen te liggen, waar iemand alleen met uiterste moeite bij kan.
“Daarvoor kun je ook licht toepassen, net als bij schrijven,” zegt Elemans. “We hebben er vertrouwen in dat de tijd die het zal duren voordat er goed kan worden geschreven, het ook mogelijk maakt dat we kunnen lezen.”
“Vergelijk het maar een beetje met de stap die we hebben gemaakt van de transistor van vroeger naar het internet wat we nu hebben,” valt Nolte hem bij. “We staan aan het begin van een grote ontwikkeling. Ons onderzoek heeft een fundamenteel karakter, besef dat wel.”
