Go to Top

Hoe nanotechnologie dataopslag in de toekomst gaat veranderen

Wat is nanotechnologie? Gaan HDD’s en SSD’s verdwijnen?

Nanotechnologie is overal in het nieuws, maar geen nieuw onderwerp. Sinds het begin van het nieuwe millennium is nanotechnologie een hype geworden in de media en bij veel bedrijven. De afgelopen jaren werd meermaals geopperd dat er nieuwe producten en technologische prestaties zouden komen. Maar:

  • Wat is nanotechnologie eigenlijk en wat betekent het voor de toekomst van dataopslag?
  • Wat kan nanotechnologie dataopslag brengen?
  • Wat zijn tot nu toe de meest interessante onderzoeksresultaten met betrekking tot dataopslag?

Bovenstaande vragen worden in dit artikel beantwoord. Laten we beginnen met de eerste vraag:

Wat is nanotechnologie?
Nanotechnologie is een trendy  woord dat aan het eind van de jaren negentig is ontstaan. Het beschrijft eenvoudigweg de technologieën die materialen op nanometerschaal proberen te maken. Een nanometer is een miljardste deel van een meter. Om het simpel te houden: als materialen voorbij deze nanometerrand komen, dan bepaalt de grootte de eigenschappen van de materialen.

Dit betekent dat materialen die kleiner zijn dan een micrometer in veel gevallen andere eigenschappen hebben en zich daarom anders gedragen. Materialen die met een bepaald doel zijn gemaakt voor of met nanotechnologie, kunnen volledig anders zijn in gedrag dan hun chemische voorlopers.

Nanotechnologie wordt al op meerdere gebieden veelvuldig gebruikt. Auto’s zijn bijvoorbeeld gespoten met een speciaal nano-bindmiddel dat water en regen langs het buitenwerk laat stromen, dit voorkomt dat de auto gaat roesten. Een ander voorbeeld is het gebruik van kleine nano-materialen bij de productie van tandpasta. Aan tandpasta worden nanodeeltjes van hyroxylapatit toegevoegd die kleine krassen op het oppervlak van de tanden herstellen. Textiel is een ander toepassingsgebied van nanotechnologie. Jassen of broeken die zijn bedoeld voor buitenactiviteiten worden gemaakt van composiettextiel dat door de kleine nanomaterialen vuil afstoot. De trend van steeds kleinere apparaten zoals, computerchips en opslagruimtes is niets nieuws. In de jaren zeventig en tachtig was “micro” (zoals in Microsoft), het trendwoord. Vandaag de dag is “nano” dat.

Wat veel mensen niet weten is dat we in computertechnologie ook opslag gebruiken die met nanotechnologie is gemaakt. De Flash-geheugenchips die we in onze computers of camera’s gebruiken, bestaan uit halfgeleidermaterialen die bedekt zijn met een isolerende oxidelaag van slechts een paar nanometer dik. Bovendien is het opslaan of verwijderen van gegevens op een Flash-opslagmedium alleen mogelijk door gebruik te maken van een fenomeen uit de kwantummechanica en nanotechnologie: het zogenaamde tunneleffect. Dit betekent dat nanotechnologie in dataopslag geen bepaalde opslagtechnologie beschrijft die gebruikt moet worden, maar dat de media, materialen of composieten kleiner worden en onder de microschaal vallen.

Wat kan nanotechnologie bieden voor dataopslag?
Zoals eerder beschreven, zouden de voordelen van op Flash gebaseerde geheugenchips en USB- en SSD-kaarten niet bestaan zonder de verkleining voorbij de nanometerbarrière. Maar sinds enkele jaren worden er ook andere methoden onderzocht om de gebruikte opslagruimte tot een minimum te beperken, zodat er meer data op steeds minder ruimte opgeslagen kunnen worden.

Er is onderzoek gaande op alle gebieden van dataopslag. Deze onderzoeken kunnen bijvoorbeeld gaan over magnetisme met een single metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) die elektrisch vermogen gebruiken of gaan over optical storage met verschillende laserlichten. In alle gebruikelijke technieken voor dataopslag proberen onderzoekers de huidige grenzen met behulp van nanotechnologieën te overbruggen.

De toekomst: gegevens opslaan met atomen
Wat onderzoekers momenteel aankondigen klinkt bijna als een scène uit een sciencefictionfilm. Een natuurkundige van de TU Delft heeft succes geboekt met het opslaan van data op het kleinst mogelijke component, namelijk atomen.

Dr. Sander Otte gebruikte hiervoor chlooratomen. Deze atomen hebben de eigenschap zichzelf te rangschikken op een flat copper surface in een tweedimensionale arrays. Er zijn echter nog steeds lege ruimtes – gaps – waar geen atomen op surface zijn. Dr. Sanders Otte heeft een methode ontwikkeld om gaps en atomen aan de hand van de surface te rangschikken zodat ze een nul of een één vormen, net zoals de normale binaire code. Met behulp van een computergestuurde scanning tunneling microscoop, kan zijn team de atomen van gap naar gap duwen tot de benodigde rangschikkingen gevormd zijn en kunnen worden uitgelezen. Het mooie van deze nanotechnologie is dat het theoretisch mogelijk is om alle boeken die de mens tot nu toe heeft gemaakt op te slaan op één enkel surface zo groot is als een postzegel.

Ook al werkt deze methode prima in het lab, het uitlezen van een zeer klein 64-bit datablok duurt een minuut en het schrijven ervan duurt 2 minuten. Bovendien werkt het proces alleen in een ‘klimaat’ van -196 °C en blijven de atomen slechts 2 dagen op hun toegewezen positie. Dit betekent dat de gegevens maar 2 dagen worden bewaard. Daarna zijn ze voor altijd weg! Er werden ook tests met betrekking tot bewegende atomen uitgevoerd met andere materialen, zoals kobalt atomen. Lees hier meer over deze tests.

Een andere methode om met behulp van atomen gegevens op te slaan werd vorig jaar gepubliceerd door onderzoekers van een internationaal team. Dit team werd gevormd door onderzoekers van de ETH Zürich en het Paul Scherrer Institut in Zwitserland, de universiteiten van Lyon en Rennes en het College de France in Frankrijk, en het Berkley National Labratory in Californië. Het team was door deze samenwerking in staat om nanomagneten te creëren.

Deze nanomagneten konden gemaakt worden door magnetiseerbare atomen op een silica-surface te bevestigen. Deze surface wordt eenvoudigweg het silica-nanodeeltje genoemd, waar atomen van een magnetisch zeldzaam aardmetaal – dysprosium – zijn opgenomen met 400 °C of 750 ° Fahrenheit. De onderzoekers ondervinden echter de moeilijkheid dat het magnetisme slechts 90 seconden levensvatbaar is bij een temperatuur van -270 °C of -454 °F. Ook dit is ver van praktisch voor het opslaan van computergegevens.

Het laatste voorbeeld voor toekomstige dataopslag doeleinden met nanotechnologie is een methode ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Southampton. In tegenstelling tot de twee hierboven beschreven methoden creëerden deze onderzoekers kleine opslagchips op basis van glas. Hiervoor gebruikten ze nanotechnologie en een supersnelle laser. De laser schreef met extreem korte en intensieve lichtpulsen testdocumenten op de glaschip. Het speciale glas dat voor de opslag wordt gebruikt, heeft superfijne structuren in het nanometergebied die het mogelijk maken om drie lagen datapunten te creëren.

Deze structuren veranderen de manier waarop het licht door het glas schijnt en kunnen worden uitgelezen met behulp van een optische microscoop en een polarisator. De onderzoekers beweren dat zo’n kleine glazen schijf 360 TB aan gegevens kan opslaan voor 13,8 miljard jaar. De schijf wordt ook wel de ‘Superman memory crystal’ genoemd. In 2013 werd deze technologie voor het eerst gedemonstreerd en het is nu al mogelijk om de Magna Carta en de King James Bible volledig op zo’n schijf op te slaan.

De voorbeelden in dit artikel laten duidelijk zien dat onderzoekers van over de hele wereld momenteel werken aan verschillende methoden van dataopslag met nanotechnologie. Deze nieuwe ideeën en methoden zijn echter nog lang niet klaar voor de markt.

Zodra de technologie commercieel beschikbaar komt, zullen wij hier onze tools en skillset op aanpassen. Voorlopig moeten zakelijke gebruikers en consumenten het doen met de gebruikelijke opslagmediums zoals HDD’s of SSD’s.  https://www.ontrack.com/nl-nl/data-recovery/

Copyright afbeelding: Tim Mossholder/ www.pexels.com

https://www.pexels.com/photo/green-yellow-brown-and-blue-stained-glass-942322/

CC0 license