Het datapoederalternatief

"Veertig procent van het internet-energieverbruik gaat naar de dataopslag van Google. En als je dingen in een computersysteem opslaat, dan moet je daar altijd energie aan geven. Dus eigenlijk staat het ergens op een server en heeft het constant energie nodig." Dat is slechts een van de problemen met onze huidige methodes om data op te slaan op servers, aldus professor Peter Dawyndt. Data opslaan is een kostelijke aangelegenheid: niet alleen verbruikt het gigantische hoeveelheden energie, ook worden de servers gemaakt uit dure metalen en nemen ze reusachtige hoeveelheden plaats in.

Gelukkig hebben enkele professoren aan onze universiteit mogelijk een oplossing gevonden. Professor Dawyndt, een informaticus, deed samen met zijn collega's professor Filip Du Prez, een chemicus, en professor Bart Devreese, een biochemicus, onderzoek naar een mogelijk chemisch alternatief voor onze digitale problemen.

Polymeren

Vooraleer we het echter kunnen hebben over grote Google-servers, is het tijd voor een klein lesje chemie. Bij het woord 'polymeer' zullen de meeste studenten wel een vaag idee hebben waarover ik het heb. Anderen zullen waarschijnlijk enkele trauma's uit het middelbaar herbeleven.

Een polymeer is een verbinding van verschillende monomeren. Een monomeer is een relatief simpele molecule die onder invloed van druk, warmte of een andere katalysator een verbinding zal aangaan met andere monomeren. Een polymeer kun je dus vergelijken met een trein met een hele hoop terugkerende wagonnen. Eiwitten, DNA en RNA zijn voorbeelden van natuurlijke biopolymeren. Minstens even bekend zijn hun synthetische tegenhangers zoals nylon, polyester en plexiglas. Zo'n synthetische stoffen zijn, in tegenstelling tot hun organische tegenhangers, stoffen die niet in de natuur voorkomen, maar door de mens gemaakt zijn.

(Poly)meer mogelijkheden

Maar wat hebben die polymeren nu precies met dataopslag te maken? Dat wordt ons verder uitgelegd door professor Du Prez: "In mijn groep ben ik altijd met zeer uiteenlopende projecten bezig, maar ze hebben altijd te maken met de synthese van polymeren. Biologische polymeren zijn in staat om enorm veel verschillende functies te vervullen en ik probeer mijn studenten aan te sporen om op zoek te gaan naar manieren om synthetische moleculen soortgelijke dingen te laten doen. Een aspect dat we zo hebben proberen repliceren is de mogelijkheid tot dataopslag."

Het is waarschijnlijk niet helemaal duidelijk hoe een polymeer data zou kunnen opslaan, maar neem bijvoorbeeld DNA, een organische polymeer. DNA is een zeer complexe keten van nucleotiden, die in een erg strikte volgorde staan. Door die strikte volgorde is DNA in staat om informatie op te slaan en over te dragen. Daarbij verschilt onze genetische code niet zo veel van een hedendaagse code in de informatica, waar informatie niet wordt opgeslagen in een strikte sequentie van nucleotiden, maar in een reeks nulletjes en eentjes.

"Wij hadden hier enkele liters acrylaten staan, dat zijn de monomeren waaruit onder andere plexiglas wordt gemaakt. Daardoor kwam ik op het idee of het mogelijk zou zijn om een reeks van bijvoorbeeld twintig acrylaten op een precieze wijze aan elkaar te zetten. Geen 19, geen 21, maar 20. Dat klinkt vast niet zo moeilijk, maar dat is het wel. (lacht) Maar we wilden nog wat meer doen. Andere wetenschappers waren er al in geslaagd om zo'n precisiepolymeer te maken uit twee verschillende monomeren. Maar ik vroeg mij af of het mogelijk was om een sequentie van 20 moleculen te maken, waarbij we gebruikmaakten van verschillende monomeren, zodat we op iedere plaats in het rijtje exact de gewenste molecule konden kiezen."

(Poly)meer opslagruimte

Toen hij erin geslaagd was om zo'n sequentie te maken realiseerde professor Du Prez zich dat deze polymeren gebruikt konden worden om op effectieve wijze data op te slaan. "Toen ik mijn collega's voor de eerste keer contacteerde zaten we gewoon te denken aan het schrijven van een zin in zo’n polymeerpoeder. Dat is natuurlijk niet zoveel, maar voor ons als chemici was dat al een waanzinnige gedachte. Maar toen die zin eenmaal gelukt was, zei Peter tegen me: "Ja, een zin. We moeten toch wat meer ambitie hebben dan een zin?" En zo zijn we op het idee gekomen om een QR-code als chemische data op te slaan. Wij hebben hier ook een robot staan die iets meer dan zeventig precisiepolymeren simultaan kan maken, dus legden we ons ook de limiet op dat we de QR-code, die bestaat uit ongeveer duizend nulletjes en eentjes, moesten reduceren tot minder dan 75 moleculen."

"Met deze methode van dataopslag zouden we in feite alle data in de wereld kunnen opslaan op een oppervlakte niet groter dan de inhoud van een koffiebeker"

Hoe is dit mogelijk? Dat wordt uitgelegd door professor Dawyndt: "Hoe meer van die moleculen zij konden gebruiken in hun sequentie, hoe meer we konden opslaan op een fragment." Professor Devreese maakte de vergelijking met natuurlijke biopolymeren om een idee te geven hoeveel efficiënter zij werken: "Als je een eiwit hebt van honderd verschillende bouwstenen, dan heb je twintig tot de macht honderd mogelijke combinaties. Dat is een getal dat groter is dan het geschatte aantal atomen in het universum."

Het uiteindelijke resultaat van het onderzoek is 'datapoeder', of dat is toch hoe de polymeren door de media genoemd worden. "Vele synthetische polymeren zien er eerst uit als poeder. Een plastic bekertje uit de resto's is ook gemaakt van 'poeder'. Als we dat zouden willen, zouden we dat poeder ook in de vorm van een USB-stick kunnen maken. Maar dat zou eigenlijk al veel te groot zijn, want wij slaan de data op op een moleculair niveau. Met deze methode van dataopslag zouden we in feite alle data in de wereld kunnen opslaan op een oppervlakte niet groter dan de inhoud van een koffiebeker," wordt ons enthousiast door professor Du Prez verteld.

Een Sterre-cast

Opvallend is ook dat het informaticagedeelte van dit onderzoek werd uitgevoerd door de chemiestudente Annelies Landuyt met experimentele hulp en begeleiding van Steven Martens. Dit deden ze in het kader van het Honours Award in Sciences programma aan de faculteit Wetenschappen. Dat is een programma waarvoor enkele van de meest uitmuntende studenten vanaf hun tweede jaar worden uitgekozen om aan interdisciplinair onderzoek te doen. Deze combinatie van chemie, informatica en biochemie bleek dan ook ideaal in die context. Alle drie de professoren benadrukten ook het belang van dit soort interdisciplinair onderzoek, of zoals professor Dawyndt het zegt: "Soms moet je jouw onderzoek eens proberen uitleggen aan iemand die er niets van afweet om een grote stap vooruit te kunnen zetten."