پلیمرهای رقمی: انقلابی در فناوری ذخیره‌سازی اطلاعات و رمزگذاری با نوشتن روی زنجیرهای پلیمری

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی مالک اشتر

10.22063/basparesh.2025.35700.1741

چکیده

پلیمرهای رقمی نوع خاصی از کوپلیمرها با توزیع باریک جرم مولکولی هستند که در آن‌ها توالی مونومرها در زنجیرهای پلیمری به‌طور کاملاً کنترل­شده با روش‌های خاص سنتزی دیکته می‌شود. با الهام از طبیعت که اطلاعات زیستی براساس توالی خاصی از مولکول‌ها روی مولکول‌های زیستی ذخیره می‌شوند، این ایده مطرح شده است که با سنتز کوپلیمرها با توالی خاصی از مونومرها می‌توان اطلاعات را به‌شکل کدهای دودویی روی زنجیرهای پلیمری ذخیره کرد. در این مطالعه، با توجه به روش ­های مختلف رمزگذاری اطلاعات روی زنجیرهای پلیمری مانند رمزگذاری‌های توپولوژیکی، با کنترل توالی مونومری و نوری، رمزگذاری با کنترل توالی مونومری بررسی شده است. دستیابی به پلیمرهای حاوی اطلاعات در قدم اول نیازمند طراحی مونومرهای خاص و در مرحلة بعد، سنتز پلیمرها با روش کاملاً کنترل­ شده و نهایتاً روش دقیق خواندن اطلاعات ذخیره­ شده است. روش‌‌های نوشتن اطلاعات در پلیمرها عمدتاً با روش سنتز تکراری مانند سنتز در فاز جامد یا واکنش‌های کلیک انجام می‌شود و روش خواندن اطلاعات ذخیره ­شده نیز عمدتاً با طیف‌سنجی جرمی پیاپی انجام می‌گیرد. تنوع ساختار پلیمرهای حاوی اطلاعات، پلیمرهای رقمی را با پایداری و چگالی ذخیره‌سازی بیشتر و اشغال فضای کمتر همراه می‌سازد. این عوامل باعث می‌شود، پلیمرهای رقمی به­ عنوان نسل آیندة فناوری ذخیره‌سازی اطلاعات با ظرفیت ذخیره‌سازی زیاد در فضایی بسیار کوچک و در مقیاس مولکولی درنظر گرفته شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Digital Polymers: A Revolution in Information Storage Technology and Encryption by Writing on Polymer Chains

نویسندگان [English]

  • Hassan Fattahi
  • Mohammad Reza Ehsani
Malek Ashtar University of Technology
چکیده [English]

Digital polymers are a special class of copolymers with a narrow molecular weight distribution in which the monomer sequence along the polymer chain is precisely dictated using specific synthetic methods. Inspired by the nature that biological information is stored on biomolecules through specific molecular sequences, the idea has emerged that information can be encoded in binary form onto polymer chains by synthesizing copolymers with defined monomer sequences. Considering the various methods of information encoding on polymer chains such as topological encoding, sequence-controlled monomer encoding, and optical encoding, this article focuses on the investigation of sequence-controlled monomer encoding. Achieving such information-containing polymers requires first, the design of specific monomers, then the synthesis of polymers using fully controlled methods, and finally, accurate techniques for reading the stored information. Writing information into polymers is mainly carried out through iterative synthesis techniques such as solid-phase synthesis or click chemistry reactions, while reading the stored data is typically done using tandem mass spectrometry. The structural diversity of these information-containing polymers results in higher stability, increased storage density, and minimal spatial footprint. These advantages position digital polymers as a next-generation data storage technology, offering high-capacity storage in an extremely compact, molecular-scale format.

کلیدواژه‌ها [English]

  • digital polymer
  • , data storage
  • , sequence-defined polymer
  • , molecular encryption
  • , tandem mass spectrometry

مراجع

  1. Huang J. and Turner S.R., Recent Advances in Alternating Copolymers: The Synthesis, Modification, and Applications of Precision Polymers, Polymer, 116, 572-586, 2017.
  2. Yokota K., Periodic Copolymers, Polym. Sci., 24, 517-563, 1999.
  3. Matyjaszewski K., Ziegler M.J., Arehart S.V., Greszta D., and Pakula T., Gradient Copolymers by Atom Transfer Radical Copolymerization, Phys. Org. Chem., 13, 775-786, 2000.
  4. Lutz J.F., Ouchi M., Sawamoto M., and Meyer T.Y., Sequence-Controlled Polymers: Synthesis, Self-Assembly, and Properties, Sym. Ser., 1170, 1-3, 2014.
  5. Yu L., Chen B., Li Z. et al., Digital Synthetic Polymers for Information Storage, Soc. Rev., 52, 1529-1548, 2023.
  6. Lutz J.F., Sequence‐Controlled Polymers, John Wiley and Sons, New York, 1-26, 2018.
  7. Gil‐Ramírez G., Leigh D.A. and Stephens A.J., Catenanes: Fifty Years of Molecular Links,  Chem. Int. Edit., 54, 6110-6150, 2015.
  8. Thorn K., Genetically Encoded Fluorescent Tags, Biol. Cell., 28, 848-857, 2017.
  9. Ceze L., Nivala J., and Strauss K., Molecular Digital Data Storage Using DNA, Rev. Genet., 20, 456-466, 2019.
  10. Colquhoun H. and Lutz J.F., Information-Containing Macromolecules, Chem., 6, 455-456, 2014.
  11. Lutz J.F., Coding Macromolecules: Inputting Information in Polymers Using Monomer-Based Alphabets, Macromolecules, 48, 4759-4767, 2015.
  12. Shuluk J.R., Wight C.D., Howard J.R. et al., A Workflow Enabling the Automated Synthesis, Chain-End Degradation, and Rapid Mass Spectrometry Analysis for Molecular Information Storage in Sequence-Defined Oligourethanes, Am. Chem. Soc. Au., 5, 1232-1242, 2025.
  13. Lutz J.F., Ouchi M., Liu D.R., and Sawamoto M., Sequence-Controlled Polymers, Science, 341, 1238149, 2013.
  14. Rutten M.G., Vaandrager F.W., Elemans J.A., and Nolte R.J., Encoding Information into Polymers, Rev. Chem., 2, 365-381, 2018.
  15. Trinh T.T., Oswald L., Chan‐Seng D., and Lutz J.F., Synthesis of Molecularly Encoded Oligomers Using a Chemoselective “AB+CD” Iterative Approach, Rapid. Commun., 35, 141-145, 2014.
  16. Roy R.K., Meszynska A., Laure C. et al., Design and Synthesis of Digitally Encoded Polymers that can be Decoded and Erased, Commun., 6, 7237, 2015.
  17. Al Ouahabi A., Charles L., and Lutz J.F., Synthesis of Non-Natural Sequence-Encoded Polymers using Phosphoramidite Chemistry, Am. Chem. Soc., 137, 5629-5635, 2015.
  18. Karamessini D., Poyer S., Charles L., and Lutz J.F., 2D Sequence‐Coded Oligourethane Barcodes for Plastic Materials Labeling,  Rapid. Commun., 38, 1700426, 2017.
  19. Cavallo G., Al Ouahabi A., Oswald L., Charles L., and Lutz J.F., Orthogonal Synthesis of “Easy-to-Read” Information-Containing Polymers Using Phosphoramidite and Radical Coupling Steps, Am. Chem. Soc., 138, 9417-9420, 2016.
  20. Boukis A.C. and Meier M.A., Data Storage in Sequence-Defined Macromolecules via Multicomponent Reactions, Poly. J., 104, 32-38, 2018.
  21. Al Ouahabi A., Kotera M., Charles L., and Lutz J.F., Synthesis of Monodisperse Sequence-Coded Polymers with Chain Lengths Above DP100, Macro. Lett., 4, 1077-1080, 2015.
  22. Al Ouahabi A., Amalian J.A., Charles L., and Lutz J.F., Mass Spectrometry Sequencing of Long Digital Polymers Facilitated by Programmed Inter-Byte Fragmentation, Commun., 8, 1-8, 2017.
  23. Comby‐Zerbino C., Lutz J.F., MacAleese L., and Charles L., Combining Laser‐Induced Edition to Collision‐Induced Sequencing of Digital Oligomers in a Single Gas‐Phase Experiment, Commun. Mass. Spectrosc., 1-10, 2025.
  24. Badi N. and Lutz J.F., Sequence Control in Polymer Synthesis, Soc. Rev., 38, 3383-3390, 2009.
  25. Merrifield R., Solid-Phase Peptide Syntheses, Endeavour, 24, 3-7, 1965.
  26. Huang X., Yang Z., Yang X. et al., New Wine in Old Bottle: Crown Ether-Functionalized Digital Polymer toward Efficient MALDI-TOF MS/MS Decoding via a Classical Supramolecular Interaction, ACS Macro. Lett., 13, 979-986, 2024.
  27. Kolb H.C., Finn M.G., and Sharpless K.B., Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions, Chem. Int. Edit., 40, 2004-2021, 2001.
  28. Song B., Lu D., Qin A., and Tang B.Z., Combining Hydroxyl-Yne and Thiol-Ene Click Reactions to Facilely Access Sequence-Defined Macromolecules for High-Density Data Storage, Am. Chem. Soc., 144, 1672-1680, 2021.
  29. Zhilin Y.A.N.G., Suhua D.U.A.N., Qiunan S.H.I. et al., Synthesis and Sequencing of Novel Digital Polyesters, Funct. Polym., 36, 535-543, 2023.
  30. Launay K., Amalian J.A., Laurent E. et al., Precise Alkoxyamine Design to Enable Automated Tandem Mass Spectrometry Sequencing of Digital Poly(phosphodiester)s, Chem-Ger Edit., 133, 930-939, 2021.
  31. Benninghoven A. and Loebach E., Tandem Mass Spectrometer for Secondary Ion Studies, Sci. Instrum., 42, 49-52, 1971.
  32. Charles L., Laure C., Lutz J.F., and Roy R.K., Tandem Mass Spectrometry Sequencing in the Negative Ion Mode to Read Binary Information Encoded in Sequence‐Defined Poly(alkoxyamine amide)s, Commun. Mass. Spectrosc., 30, 22-28, 2016.
  33. McLuckey S.A., Van Berkel G.J., and Glish G.L., Tandem Mass Spectrometry of Small, Multiply Charged Oligonucleotides, Am. Soc. Mass. Spectrosc., 3, 60-70, 1992.
  34. Lee J.M., Koo M.B., Lee S.W. et al., High-Density Information Storage in an Absolutely Defined Aperiodic Sequence of Monodisperse Copolyester, Commun., 11, 1-9, 2020.
  35. Laurent E., Amalian J.A., Schutz T. et al., Storing the Portrait of Antoine de Lavoisier in a Single Macromolecule, R. Chim., 24, 69-76, 2021.
  36. Karamessini D., Petit B.E., Bouquey M., Charles L., and Lutz J.F., Identification‐Tagging of Methacrylate‐Based Intraocular Implants Using Sequence Defined Polyurethane Barcodes, Funct. Mater., 27, 1604595, 2017.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار