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激光技术或将解决大数据储存难题

[日期:2013-07-12] 来源:  作者: [字体: ]

以后数据存储无论个人用户,抑或不同规模的企业政府机关等,都可更加轻松地进行。来自澳大利亚斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)的研究团队负责人Min Gu教授最新开发出了一种全新的数据存储方式,可将1PB(1024TB)的数据存储到一张仅DVD大小的聚合物碟片上。

大数据存储在当今世界已经显得尤为必要,而且我们人类自步入数字时代以来,目前仅是存储在Web上的内容预计就有大概1ZB(zettabyte,1万亿GB),美国一年的电话记录就需要0.3ZB的存储空间进行存储。

要保护全世界的数据资料免遭损失和意外丢失也是件很麻烦的事情。放弃本地概念,转投云存储也不要认为有多么的安全,尤其是当黑客如果袭击了你所使用的云服务器,那么数据存储遭受的损失恐怕就更大了。对于现有的本地存储,如果我们要将1ZB的数据存在蓝光光盘上,然后将这些光盘堆叠到一起,那么这一摞光盘的高度就能达到24km。或许传统硬盘能堆叠的空间更小一些,但成本又是难以估量的。

那么数据存储的问题究竟该怎么解决呢?来自斯威本科技大学和澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的学者们似乎正在研究更为巧妙的解决方案。他们最新的研究可让1PB的数据存放到仅DVD大小的碟片上,也就是说1ZB的数据仅需1000张这样的碟片就能存储,虽说1000张碟片听起来有些多,但堆放1米的高度还是要比蓝光光碟的24km好出不少。

此团队在2013年6月29日刊出的《自然通讯(Nature Communications)》杂志的文章中描述了如何将在塑料层上光学纪录的斑点宽度从蓝光的130nm减小到9nm,相当于单个光波长的1%。为什么蓝光技术无法做到这一点?光学物理学家,同时也是卡尔蔡司的创始人之一Ernst Abbe先前就发现了光的一种基本特性。19世纪末,他的镜片实验证明光有其固有波长,无法集中到小于其波长1/3的点内(Airy disk,艾里斑)。蓝光技术使用440nm波长的蓝色激光读取光碟,所以蓝光斑点宽度局限在130nm。

澳大利亚的学者则开发出了一种新型的有机聚合催化剂,可对光产生2种不同的反映,从而回避了Abbe所发现的限制。800nm的激光可令这种催化剂分裂为聚合活性物,当数量充足的时候,就能促使单体聚合。不过,375nm的激光用于这种催化剂时,就会释放阻聚剂,阻止单体聚合。

 

要将比艾里斑更小的斑点宽度写入到感光光刻胶材料上,首先要将800nm波长激光束导至未聚合存储介质中。这些光会在光强度足够释放聚合活性物的位置令光刻胶聚合。为释放足够的活性物,光强度必须高于某个值,聚合物点尺寸就可变得更小。

同时将375nm的光导至相同的焦点,这样一来活性物和抑制剂就会令艾里斑达成基本平衡。此时,没有聚合物形成。然后就是将375nm的激光转成环状模式。

先前我们就谈到,800nm的光本身就能将点聚合至大约100nm的直径。再加上环状375nm外圈的抑制部分,外圈的光刻胶部分则不会发生聚合。这能够让聚合物点最终缩减至9nm的尺寸。

加上近期发展迅猛的3D打印技术,澳洲的这批研究人员还另外证明了他们的新型光聚合技术能够制造小型的3D物体。很显然这种新型的存储技术离正式商用还有一段距离,目前仍有许多问题需要解决。但至少,未来我们能看到未来大容量存储碟片的出现。

激光的原理

激光英文全名为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。于1960年面世,是一种因刺激产生辐射而强化的光。

科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质,使其原子的电子达到受激发的高能量状态,当这些电子要回复到平静的低能量状态时,原子就会射出光子,以放出多余的能量;而接著,这些被放出的光子又会撞击其它原子,激发更多的原子产生光子,引发一连串的“连锁反应”,并且都朝同一个方前进,形成强烈而且集中朝向某个方向的光;因此强的激光甚至可用作切割钢板!

 

激光的特性

激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波,频率范围极窄,又可在一个狭小的方向内集中高能量,因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。以红宝石激光器为例,它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋,但却能在3毫米的钢板上鉆出一个小孔。激光拥有上述特性,并不是因为它有与别不同的光能,而是它的功率密度十分高,这就是激光被广泛应用的原因。

激光有三大特性:单色波长、同调性、平行光束。

 

激光技术实现快速测试细菌对抗生素的反应

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)研究人员将纳米力学传感器与激光技术结合,最近造出了一种火柴盒大小的设备,能在几分钟内测出细菌对抗生素的反应,从而找出有效的疗法,而不必再花几个星期。相关论文发表在最近出版的《自然·纳米技术上》。

药物滥用增加了耐多种抗生素细菌的数量,如果有一种工具能快速探测并识别出细菌对抗生素的反应,是非常有用的。而现有方法要几周甚至一个月,医生需要培养细菌然后观察它们的生长,比如肺结核甚至要花一个月,才能确定某种抗生素对它是否有效。而研究小组结合了激光与纳米技术,将这一过程的时间减少到几分钟。

细菌的活动会在纳米尺度造成振动,但这些生命特征的信号很难觉察,而新检测设备能将细菌新陈代谢的显微运动转化为容易看见的电信号。该设备有一个极小的振动杠杆,只比头发丝略粗,探测到细菌的代谢活动时,杠杆就会以细菌代谢活动的频率振动,以此能确定有没有某种细菌。这种振动是纳米级的,为了检测这种振动,研究人员发射一束激光到杠杆上,激光会反射回来,信号被转换为电流信号。医生和研究人员就能像读“心电图”一样,根据读取的电流信号做出分析解释。如果电流信号是平直的,就说明细菌已经全死了。

有了这种方法,医生能轻松快速地确定某种细菌是否已被抗生素有效地“制伏”,这对那些耐药性的菌种尤其关键,在医疗阶段和化疗测试中都很有用。EPFL研究人员乔瓦尼·迪特尔说:“这种方法快速而准确。不仅能帮医生确定所用抗生素的适当剂量,还能帮研究人员找到最有效的方法。”

目前该测试工具已经缩小到仅火柴盒大小。“如果把它与压电设备结合而不是激光,还能进一步缩小到微芯片大小。”迪特尔说,这样结合起来能在几分钟内测试出一系列抗生素治疗某种细菌的效果。

研究人员还评估了新工具在肿瘤学领域的应用,有望用于检查肿瘤细胞在抗癌药物作用下的新陈代谢,评价某种抗癌疗法的效果。





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