超低功耗存储器问世，功耗仅为传统设备1%

DNA 承载着所有生物的遗传指令，同时也是一种存储密度极高的信息载体。仅一克DNA就可以存储约 2.15 亿 GB 的数据。如果能在电子设备中利用这种存储能力，将有望打造出效率更高的数据中心、实现更快的处理速度，并具备处理更复杂信息的能力。

但长期以来的难题在于，如何让DNA这类生物分子在电子系统中正常工作。宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，他们现已找到连接二者的方法。该团队的研究成果已发表在《先进功能材料》上，相关专利正在申请中。其技术方案主要依托两种核心材料：一种是合成 DNA，通过化学工程制备出适配特定电子功能的短链序列；另一种是晶体钙钛矿，这是一种广泛应用于太阳能电池、激光器和数据存储器件的半导体材料。

“生物学和电子学属于不同领域，” 该研究共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程博士后研究员 Kavya S. Keremane 表示，“要架起这两个领域的桥梁，需要开发一种全新的材料平台，让二者能够无缝协同工作。我们将DNA的信息存储能力与钙钛矿半导体优异的电学特性相结合，构建出一种生物杂化系统，从根本上改变了低功耗存储器件的设计方式。”

忆阻器与类脑计算

研究人员研制出了一种被称为忆阻器的器件，这是一种功耗极低的存储电阻。传统电阻可以控制电流，但断电后会丢失存储的信息。忆阻器则不同，即使断电后，它仍能保留信息并 “记住” 此前的电流方向。

研究人员对合成DNA进行工程化改造，并将其与半导体材料集成，以提升先进材料的存储容量。

由于忆阻器可以在同一位置完成信息存储与处理，其工作方式与大脑神经元相似，因此在先进计算系统中极具应用前景。然而，受限于存储容量和能效，忆阻器的实用化一直困难重重。DNA 则能同时解决这两个问题：在极小空间内存储海量数据，且能耗极低。

“随着人工智能需求不断增长，我们需要面向低功耗、高存储器件的全新方案，” 该研究共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程研究教授 Bed Poudel 表示。他解释道，AI 和未来技术将越来越依赖类脑计算，这种计算模式类似人脑，能够同时处理多路输入，并依据过往经验和未来优先级做出决策。“通常来说，存储更多信息需要消耗更多电力。但我们的器件功耗仅为闪存盘等传统存储设备的百分之一，存储容量却更高。”

面向电子应用的DNA工程化改造

为制备该器件，研究团队在特殊设计的DNA序列中加入银纳米颗粒，并将其与钙钛矿薄膜结合。这种被称为掺杂的技术常用于调控材料性能。在本研究中，掺杂使DNA具备导电性，并能形成更规整的结构排列。

天然DNA会形成长而杂乱的链状结构，难以用于精密构造。相比之下，短链合成DNA片段刚性更强，在纳米尺度下更易操控。这使研究人员能够制备出高度有序、电学性能可调的材料，而这是天然DNA在薄膜形态下无法实现的。

“我们可以通过计算精确确定所需的序列及其长度，再利用合成DNA进行合理设计，”Yennawar 说，“这些结构可以系统性地掺入银离子及其他离子，并实现与钙钛矿的无缝界面结合，将DNA从生物大分子转变为可编程、多功能的纳米材料平台。”

性能与稳定性突破

经银处理的DNA与钙钛矿结合后，会形成高效传导电流的通道。研究人员施加的电压不足 0.1 伏（美国标准插座电压为 120 伏），电子即可在器件中稳定传输；在电流方向改变时，器件也能保持稳定响应。

该器件在接近 250 华氏度（约 121 摄氏度）的温度下仍保持稳定，并在室温下持续工作超过六周。研究人员表示，其性能优于现有基于钙钛矿的存储器件，同时可实现相近的存储性能，而功耗仅为前者的十分之一，是未来节能电子设备的理想候选方案。

“单独使用DNA或钙钛矿，效果都远不及二者结合，”Keremane 说，“正是这种组合实现了超高存储密度，且所需功耗极低。”

该团队计划继续优化这项技术，并探索生物学启发新型电子器件的更多方向。“大自然早已给出答案，我们只需要发现并加以应用，”Poudel 说，“这项将DNA集成到电子器件中实现非凡功能的研究，让我们得以窥见未来的无限可能。”