Angela Belcher: Using nature to grow batteries

المترجم: khalid marbou المدقّق: Faisal Jeber

I thought I'd talk a little bit about how nature makes materials.

فكرت في أن أتحدث قليلا حول كيف تصنع الطبيعة المواد.

I brought along with me an abalone shell.

أحضرت معي صدفة أذن البحر.

صدفة أذن البحر هاته مركب أحيائي

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

بكتلة نسبتها 98 في المئة من كربونات الكالسيوم

and two percent by mass protein.

و2 في المئة من البروتين.

ومع ذلك فهي أصلب بـ 3000 مرة

Yet, it's 3,000 times tougher than its geological counterpart.

من نظيرتها الجيولوجية.

And a lot of people might use structures like abalone shells,

والكثير من الناس قد يستخدمون بنيات مثل صدفة أذن البحر،

كطبشور.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

لطالما انبهرت بكيفية تصنيع الطبيعة للمواد،

وهناك الكثير من التسلسل

and there's a lot of secrets to how they do such an exquisite job.

لكيفية إنجازها لوظيفة بذلك الإتقان.

Part of it is that these materials are macroscopic in structure,

جزء منها هي أن هاته المواد

بنيات ماكروسكوبية،

لكنها تشكل على المستوى النانوي.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

تتشكل على المستوى النانوي،

and they use proteins that are coded by the genetic level

وتستخدم بروتينات مرمزة بالمستوى الجيني

تسمح لها ببناء هاته البنيات المتقنة.

that allow them to build these really exquisite structures.

وهناك أمر أظنه في غاية الروعة

So something I think is very fascinating is:

هو ما إن أمكن وهب الحياة

What if you could give life to non-living structures,

لبنيات غير حية،

like batteries and like solar cells?

كالبطاريات والخلايا الشمسية؟

What if they had some of the same capabilities

ماذا لو توفرت على بعض هاته الإمكانيات

التي تتوفر عليها صدفة أذن البحر،

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

من حيث القدرة

على بناء بنيات متقنة

at room temperature and room pressure,

في ضغط ودرجة حرارة الغرفة،

using nontoxic chemicals

باستخدام كيماويات غير سامة

and adding no toxic materials back into the environment?

وإعادة مواد غير سامة للبيئة؟

So that's kind of the vision that I've been thinking about.

وكذلك تلك هي الرؤية التي كنت أفكر فيها.

And so what if you could grow a battery in a Petri dish?

إذن ماذا إن أمكن أن ننتج بطارية في طبق بتري؟

أو، ماذا إن أمكن إعطاء معلومات جينية لبطارية

Or what if you could give genetic information to a battery

بحيث يمكنها أن تصبح بالفعل أحسن

so that it could actually become better as a function of time, and do so

مع مرور الزمن،

والقيام بذلك بطريقة غير مؤذية للبيئة؟

in an environmentally friendly way?

وهكذا بالعودة إلى صدفة أذن البحر،

And so, going back to this abalone shell,

عدا كونها ذات بنية نانوية،

besides being nanostructured, one thing that's fascinating is,

أمر مذهل

when a male and female abalone get together,

هو حين يجتمع ذكر وأنثى أذن البحر

they pass on the genetic information that says,

ينقلون المعلومات الجينية

التي تقول، "هذه هي الطريقة لبناء مواد متقنة.

"This is how to build an exquisite material.

Here's how to do it at room temperature and pressure,

وها هي كيفية القيام بذلك في درجة حرارة وضغط الغرفة،

باستخدام مواد غير سامة."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

نفس الشيء مع الدياتوم، ذي البنية الزجاجوية، والذي يشع هنا.

which are glasseous structures.

في كل مرة تتكاثر الدياتوم،

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

تعطي معلومات تقول،

"هذه كيفية بناء زجاج في المحيط

"Here's how to build glass in the ocean that's perfectly nanostructured."

مبني بإتقان على المستوى النانوي.

And you can do it the same, over and over again."

ويمكنك القيام به نفسه، مرارا وتكرارا."

وبالتالي ماذا لو أمكن القيام بنفس الشيء

So what if you could do the same thing with a solar cell or a battery?

مع خلية شمسية أو بطارية؟

I like to say my favorite biomaterial is my four year old.

يحلو لي أن أقول أن المادة البيولوجية المفضلة عندي هي طفلي ذي الأربع سنوات.

But anyone who's ever had or knows small children knows,

لكن أي شخص لديه أو يعرف طفلا صغيرا

يعرف أنها كائنات حية بالغة التعقيد.

they're incredibly complex organisms.

If you wanted to convince them to do something they don't want to do,

وهكذا إن أردت إقناعهم

للقيام بأمر لا يرغبون به، ستجده صعبا.

it's very difficult.

وهكذا حين نفكر في التكنولوجيات المستقبيلة،

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

نفكر أساسا حول استخدام البكتيريات والفيروسات،

كائنات حية بسيطة.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

هي يمكنك إقناعهم بالعمل بصندوق أدوات مختلف،

بحيث يستطيعون تشييد بنية

so they can build a structure that will be important to me?

تكون مهمة لي؟

Also, when we think about future technologies,

كذلك، نفكر حول التكنولوجيات المستقبلية.

we start with the beginning of Earth.

نبدأ ببداية الأرض.

استغرق الأمر أساسا، مليار سنة

Basically, it took a billion years to have life on Earth.

لإيجاد حياة على الأرض.

And very rapidly, they became multi-cellular,

وبسرعة كبيرة، أصبحت متعددة الخلايا،

استطاعت التكاثر، استطاعت استخدام التركيب الضوئي

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

كطريقة للحصول على مصدرها الطاقي.

But it wasn't until about 500 million years ago --

لكن ذلك لم يحصل إلا قبل حوالي 500 مليون سنة --

خلال حقبة الكمبري الجيولوجية --

during the Cambrian geologic time period --

لكي تبدأ الكائنات الحية في المحيطات بإنتاج مواد صلبة.

that organisms in the ocean started making hard materials.

قبل ذلك كانت كلها بنيات ناعمة ورقيقة.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

وخلال تلك الحقبة

It was during this time that there was increased calcium,

تزايد الكالسيوم والحديد

iron and silicon in the environment,

والسيليكون في البيئة.

and organisms learned how to make hard materials.

وتعلمت الكائنات الحية كيف تصنع موادا صلبة.

So that's what I would like to be able to do,

وذلك هو ما أود أن أصبح قادرة على القيام به --

convince biology to work with the rest of the periodic table.

إقناع الأحياء

للعمل مع بقية الجدول الدوري.

Now, if you look at biology,

الآن حين تنظرون إلى البيولوجيا،

there's many structures like DNA, antibodies, proteins and ribosomes

هناك الكثير من البنيات كالحمض النووي ومضادات الأجسام

والبروتينات والريبوسومات سمعتم عنها

you've heard about,

قد تم تركيبها نانويا.

that are nanostructured --

وبالتالي الطبيعة تعطينا مسبقا

nature already gives us really exquisite structures on the nano scale.

بنيات في غاية الإتقان على المستوى النانوي.

What if we could harness them

ماذا لو أمكننا تسخيرهم

and convince them to not be an antibody that does something like HIV?

وإقناعها ألا تكون مضادة للأجسام

تسبب شيئا كفيروس نقص المناعة المكتسبة؟

لكن ماذا لو أمكننا إقناعها

What if we could convince them to build a solar cell for us?

أن تبني لنا خلية شمسية؟

وبالتالي هنا بعض الأمثلة: هذه بعض الصدفات الطبيعية.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

هناك مواد طبيعية بيولوجية.

The abalone shell here.

صدفة أذن البحر هنا -- وإذا كسرناها،

If you fracture it, you can look at the fact that it's nanostructured.

يمكننا أن نرى حقيقة أنها مبنية على المستوى النانوي.

هناك دايتومات مصنوعة من ثنائي أكسيد السيليكون،

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

وهي باكتيريا موجهة مغناطيسيا

that make small, single-domain magnets used for navigation.

تصنع مغناطيسات صغيرة وأحادية الحقل تستخدم في الملاحة.

What all these have in common

ما يوحد كل هذا

is these materials are structured at the nano scale,

هو أن هاته المواد مبنية على المستوى النانوي،

ولديها تسلسل حمض نووي

and they have a DNA sequence that codes for a protein sequence

يرمز لتسلسل البروتين،

that gives them the blueprint

والذي يعطيها المخطط الاولي

to be able to build these really wonderful structures.

لتكون قادرة على بناء هاته البنيات المدهشة حقا.

Now, going back to the abalone shell,

الآن، بالعودة إلى صدفة أذن البحر،

أذن البحر يصنع صدفته بالتوفر على هذه البروتينات.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

هذه البروتينات مشحونة بشدة سلبيا.

They can pull calcium out of the environment,

ويمكنها أن تأخذ الكالسيوم من المحيط،

تضع طبقة من الكالسيوم ثم الكاربونات، الكالسيوم والكاربونات.

and put down a layer of calcium and then carbonate, calcium and carbonate.

تتوفر على التسلسل الكيميائي للأحماض الأمينية

It has the chemical sequences of amino acids which says,

والذي يقول، "هكذا يمكنك إنشاء هذه البنية.

"This is how to build the structure.

ها هو تسلسل الحمض النووي، ها هو تسلسل البروتين

Here's the DNA sequence, here's the protein sequence

للقيام بذلك."

in order to do it."

So an interesting idea is,

وهكذا فإن فكرة مثيرة للإهتمام، هي ماذا إن أمكننا أخذ أي مادة نريد،

what if you could take any material you wanted,

أو أي عنصر نريد من الجدول الدوري،

or any element on the periodic table,

ثم إيجاد تسلسل الحمض النووي الموافق له،

and find its corresponding DNA sequence,

then code it for a corresponding protein sequence to build a structure,

ثم ترميزه بتسلسل بروتيني موافق

لإنشاء بنية، لكن ليس بناء صدفة أذن البحر --

but not build an abalone shell --

build something that nature has never had the opportunity to work with yet.

بناء شيء آخر، من خلال الطبيعة،

لم تسنح لها الفرصة أبدا للعمل معه من قبل.

وبالتالي ها هو الجدول الدوري.

And so here's the periodic table.

وأنا أحب قطعا الجدول الدوري.

I absolutely love the periodic table.

في كل سنة ولحصة الطلاب الجدد القادمين للـ MIT،

Every year for the incoming freshman class at MIT,

لدي جدول دوري مطبوع عليه،

I have a periodic table made that says,

"Welcome to MIT. Now you're in your element."

"مرحبا في MIT. أنت الآن في عنصرك الخاص."

(Laughter)

وتديره، فتجد الأحماض الأمينية

And you flip it over, and it's the amino acids

with the pH at which they have different charges.

بمستوى PH الذي تتوفر فيه على شحنات مختلفة.

And so I give this out to thousands of people.

وبالتالي أعطي هذا لآلاف الأشخاص.

And I know it says MIT and this is Caltech,

وأعرف أنه مكتوب عليه MIT، وهذه Caltech،

لكن لدي بضع جداول إضافية إن أراده الناس.

but I have a couple extra if people want it.

وقد كنت محظوظة بالفعل

I was really fortunate to have President Obama visit my lab this year

ليزور الرئيس أوباما مختبري هذه السنة

في زيارته لـ MIT،

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

وقد وددت فعلا أن أعطيه جدولا دوريا.

وبالتالي سهرت الليلة، وتحدثت مع زوجي،

So I stayed up at night and talked to my husband,

"كيف أعطي الرئيس أوباما جدولا دوريا؟

"How do I give President Obama a periodic table?

What if he says, 'Oh, I already have one,'

ماذا لو قال، 'أوه، عندي واحد مسبقا،'

or, 'I've already memorized it?'"

أو، 'لقد حفظته'؟"

(Laughter)

وهكذا جاء لزيارة مختبري

So he came to visit my lab and looked around -- it was a great visit.

ونظر حواليه -- كانت زيارة عظيمة.

And then afterward, I said,

وثم بعد ذلك، قلت،

"Sir, I want to give you the periodic table,

"سيدي، أريد أن أعطيك جدولا دوريا

in case you're ever in a bind and need to calculate molecular weight."

في حالة كنت في مأزق واحتجت إلى حساب الوزن الجزيئي."

(Laughter)

وفكرت في أن الوزن الجزيئي قد بدا أقل تعقيدا

I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."

من الكتلة المولية.

(Laughter)

وهكذا نظر إليه،

And he looked at it and said,

وقال،

"Thank you. I'll look at it periodically."

"شكرا. سأنظر إليه بصفة دورية."

(Laughter)

(ضحك)

(Applause)

(تصفيق)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

ولاحقا في محاضرة ألقاها حول الطاقة النظيفة،

he pulled it out and said,

سحبه وقال،

"And people at MIT, they give out periodic tables." So ...

"والناس في MIT، يمنحون الجداول الدورية."

إذن، ما لم أخبركم هو أنه أساسا

So basically what I didn't tell you

is that about 500 million years ago, the organisms started making materials,

قبل حوال 500 مليون سنة، بدأت الكائنات الحية في إنتاج المواد،

لكن ذلك استغرقهم حوالي 50 مليون سنة ليبرعوا فيه.

but it took them about 50 million years to get good at it --

استغرقهم حوالي 50 مليون سنة

50 million years to learn how to perfect how to make that abalone shell.

لتعلم كيفية إتقان كيفية إنشاء صدفة أذن البحر.

وذلك أمر صعب لطالب دراسات عليا.

And that's a hard sell to a graduate student:

"عندي مشروع عظيم -- 50 مليون سنة."

"I have this great project ... 50 million years ..."

وهكذا كان علينا تطوير تطوير وسيلة

So we had to develop a way of trying to do this more rapidly.

لمحاولة القيام بذلك بشكل أسرع.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

وهكذا استعملنا فيروسات غير سامة

تسمى عاثية M13

والتي مهمتها عدوى البكتيريا.

whose job is to infect bacteria.

حسنا لديها تسلسل حمض نووي بسيط

Well, it has a simple DNA structure

يمكن أن تقوم بقطع ولصق

that you can go in and cut and paste additional DNA sequences into it,

تسلسل أحماض نووية إضافية إليه.

وبالقيام بذلك، يسمح للفيروس

and by doing that, it allows the virus to express random protein sequences.

بأن يعبر عن تسلسلات بروتينية عشوائية.

This is pretty easy biotechnology,

وهذه تكنولوجية حيوية في غاية البساطة.

and you could basically do this a billion times.

ويمكن أساسا القيام بهذا مليار مرة.

So you can have a billion different viruses

وهكذا يمكن أن يصير لدينا مليار فيروس مختلف

كلها متطابقة جينيا،

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

لكنها تختلف عن بعضها البعض اعتمادا على أطرافها،

بتسلسل واحد

on one sequence,

يرمز لبروتين واحد.

that codes for one protein.

Now if you take all billion viruses, and put them in one drop of liquid,

الآن إن أخذنا المليار فيروس،

وأمكن وضعها في قطرة سائل واحدة،

you can force them to interact with anything you want

يمكن إرغامها على التفاعل مع أي عنصر نريد من الجدول الدوري.

on the periodic table.

ومن خلال عملية تطور انتقائي،

And through a process of selection evolution,

يمكن اختيار واحد من البليون يقوم بما نود إنجازه،

you can pull one of a billion that does something you'd like it to do,

مثل إنتاج بطارية أو خلية شمسية.

like grow a battery or a solar cell.

وبالتالي، الفيروسات أساسا لا يمكنها استنساخ نفسها، تحتاج إلى مضيف.

Basically, viruses can't replicate themselves; they need a host.

وبمجرد أن تجد ذلك الواحد من المليار،

Once you find that one out of a billion,

تنقله إلى بكتيريا،

you infect it into a bacteria, and make millions and billions of copies

وتنتج ملايين وملايير النسخ

of that particular sequence.

من ذلك التسلسل بعينه.

The other thing that's beautiful about biology

وبالتالي الأمر الآخر الجميل في البيولوجيا

is that biology gives you really exquisite structures

هو أن البيولوجيا تعطي بنيات في غاية الإتقان

بجداول ربط أنيقة.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

وهذه الفيروسات هي طويلة ورقيقة،

and we can get them to express the ability

ويمكن جعلها تعبر عن القدرة

to grow something like semiconductors

على إنتاج أشياء مثل أشباه الموصلات

or materials for batteries.

أو مواد للبطاريات.

الآن هذه بطارية عالية القدرة أنتجناها في مختبري.

Now, this is a high-powered battery that we grew in my lab.

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

صممنا فيروس ليلتقط أنابيب الكربون النانوية.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

وبالتالي جزء من الفيروس يمسك أنبوب كربون نانوي.

the other part of the virus has a sequence

الجزء الآخر من الفيروس لديه تسلسل

يمكنه أن ينتج مادة كهربائية قطبية لبطارية.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

ثم يربط نفسه سلكيا بمجمع التيار

And so through a process of selection evolution,

وهكذا عن طريق تطور الإنتقاء،

we went from being able to have a virus that made a crummy battery

انتقلنا من التوفر على فيروس صنع بطارية رديئة

إلى فيروس صنع بطارية جيدة

to a virus that made a good battery

to a virus that made a record-breaking, high-powered battery

إلى فيروس صنع بطارية قياسية ذات قدرة عالية

that's all made at room temperature, basically at the benchtop.

كل هذا تم في درجة حرارة الغرفة، على مقاعد المختبر أساسا.

That battery went to the White House for a press conference,

وتلك البطارية قد ذهبت إلى البيت الأبيض من أجل مؤتمر صحفي.

أحضرتها معي هنا.

and I brought it here.

You can see it in this case that's lighting this LED.

يمكنكم رؤيتها في هذا الصندوق -- ذاك يضيئ هذا الصمام المشع.

Now if we could scale this,

الآن إن أمكننا قياس هذا،

you could actually use it to run your Prius,

يمكننا فعلا استخدامه

لتشغيل سيارة بريوس،

which is kind of my dream -- to be able to drive a virus-powered car.

والذي هو حلمي -- أن أكون قادرة على قيادة سيارة تعمل بقوة الفيروسات.

(Laughter)

لكنه أساسا --

But basically you can pull one out of a billion,

يمكن أخذ واحد من المليار

and make lots of amplifications to it.

يمكن إجراء الكثير من التضخيم عليه.

Basically, you make an amplification in the lab,

وأساسا، يمكن إجراء تضخيم في المختبر.

وثم نجعلها تتجمع ذاتيا

and then you get it to self-assemble into a structure like a battery.

في بنية تشبه البطارية.

We're able to do this also with catalysis.

نحن قادرون على القيام بذلك مع المحفزات.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

ها هو مثال

لمحفزات ضوئية مقسمة بالماء.

And what we've been able to do is engineer a virus

وما استطعنا القيام به

هو تصميم فيروس ليقوم أساسا بأخذ الجزيئات التي تمتص الصباغ

to basically take dye-absorbing molecules

وتصفيفهم على واجهة الفيروس

and line them up on the surface of the virus

ليعمل كهوائي،

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

وتحصلون على انتقال طاقي على طول الفيروس.

ثم نضيف جينة ثانية

And then we give it a second gene to grow an inorganic material

لإنتاج مواد غير عضوية

that can be used to split water into oxygen and hydrogen,

يمكن استخدامها لتفكيك الماء

إلى أوكسيجين وهيدروجين،

that can be used for clean fuels.

والتي يمكن استخدامها في الوقود النظيف.

I brought an example of that with me today.

وقد أحضرت معي اليوم مثالا.

My students promised me it would work.

وعدني طلبتي بأنه سيشتغل.

These are virus-assembled nanowires.

هذه أسلاك نانوية مجمعة عن طريق الفيروسات.

حين تسلط عليها الضوء، يمكن أن تراها تزبد.

When you shine light on them, you can see them bubbling.

In this case, you're seeing oxygen bubbles come out.

في هذه الحالة، ترون الأوكسجين يتدفق.

(Applause)

وعن طريق التحكم في الجينات أساسا،

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

يمكن التحكم في مواد متعددة لتحسين أداء الجهاز.

آخر مثال هو الخلايا الشمسية.

The last example are solar cells.

يمكن القيام بهذا كذلك مع الخلايا الشمسية.

You can also do this with solar cells.

We've been able to engineer viruses to pick up carbon nanotubes

قد استطعنا تصميم فيروسات

لالتقاط أنابيب كربونية نانوية

and then grow titanium dioxide around them,

ثم إنتاج ديوكسيد التيتانيوم حولها --

and use it as a way of getting electrons through the device.

واستخدامه كوسيلة للحصول على إلكترونات حول الجهاز.

And what we've found is through genetic engineering,

وما وجدناه هو أنه، عن طريق الهندسة الوراثية،

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

يمكن بالفعل زيادة

فاعلية هذه الخلايا الشمسية

to record numbers

لتسجيل أرقام

for these types of dye-sensitized systems.

لهذه الأنواع من أنظمة خلايا غريتسل.

And I brought one of those as well,

وقد أحضرت معي واحدة منها كذلك

that you can play around with outside afterward.

يمكن أن تلعبوا بها في الخارج فيما بعد.

إذن هذه خلية شمسية مرتكزة على الفيروسات.

So this is a virus-based solar cell.

عن طريق التطور والإنتقاء،

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

أخذناها من خلايا شمسية بكفاءة 8 في المئة

إلى خلايا شمسية بكفاءة 11 في المئة.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

إذن أتمنى أن أكون قد أقنعتكم

that there's a lot of great, interesting things to be learned

أن هناك الكثير من الأمور العظيمة والمثيرة للإهتمام يمكن تعلمها

حول كيف تصنع الطبيعة المواد --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

والإنتقال بذلك إلى الخطوة الموالية

to see if you can force or take advantage of how nature makes materials,

للتحقق من إمكانية إرغام،

أو إستغلال كيفية إنتاج الطبيعة للمواد،

لإنتاج مواد لم تحلم الطبيعة بإنشاءها بعد.

to make things that nature hasn't yet dreamed of making.

Thank you.

شكرا لكم.

(Applause)