Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Translator: Anton Hikov Reviewer: Darina Stoyanova

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

Мислех, че може да поговоря малко за това как природата прави материали.

I brought along with me an abalone shell.

Донесох със себе си черупката на един морски охлюв.

Черупката на този охлюв е биокомпозитен материал,

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

който е 98% калциев карбонат

and two percent by mass protein.

и два процента протеин.

И въпреки това е 3000 пъти по-здрав,

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

отколкото неговия геоложки аналог.

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

И много хора използват структури подобни на черупки на морски охлюви,

като тебешира.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Очарована съм от начина, по който природата прави материали,

и има много тайни,

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

за това как те правят такава изискана работа.

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

Част от това е, че тези материали

са видими с просто око по структура,

но те са формирани в наномащаб.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Те се образуват в наномащаб,

and they use proteins that are coded by the genetic level

и използват протеини, които са кодирани на генетично ниво,

които им позволяват да изградят тези наистина изящни структури.

that allow them to build these really exquisite structures.

Така че нещо, което е много очарователно, мисля,

So something I think is very fascinating is:

е какво би станало ако може да се даде живот

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

на неживи структури,

like batteries and like solar cells?

като батерии и слънчеви батерии?

What if they had some of the same capabilities

Какво може да стане, ако те имаха някои от възможностите,

които черупките на морските охлюви имаха,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

от гледна точка на възможността

да изграждат наистина изискани структури

at room temperature and room pressure,

при стайна температура и налягане,

using nontoxic chemicals

използвайки нетоксични химични вещества

and adding no toxic materials back into the environment?

и без да добавят никакви токсични материали обратно в околната среда?

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

Така че това е визията, за която си мислех.

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

И така, какво може да стане, ако се отгледа батерия в петриева паничка?

Или, ако може да се даде генетична информация на батерия,

Or what if you could give genetic information to a battery

така че да може всъщност да стане по-добра

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

с течение на времето,

и да прави това по екологично съобразен начин?

in an environmentally friendly way?

И така, връщайки се към черупката на морския охлюв,

And so, going back to this abalone shell,

освен че е нано-структурирана,

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

нещо, което е очарователно,

when a male and female abalone get together,

е когато мъжки и женски охлюви се съберат заедно,

they pass on the genetic information that says,

и препредават генетичната информация,

което казва: "Това е начина за изграждането на изискан материал.

"This is how to build an exquisite material.

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

Ето как се прави това при стайна температура и налягане,

използвайки нетоксични материали."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Същото е и с диатомите, които са осветени тук, които са стъкловидни структури.

which are glasseous structures.

Всеки път, когато диатомите се възпроизвеждат,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

те предават генетична информация, която казва:

"Ето как да се изгради стъкло в океана,

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

което е напълно наноструктурирано.

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

И можете да го правите по същия начин, отново и отново."

И така, какво би станало ако можехте да направите същото нещо

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

със слънчева батерия или батерия?

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

Ще ми се да кажа, че любимия ми биоматериал е моето четиригодишно дете.

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

Но всеки, който някога е имал, или познава, малки деца,

знае, че те са невероятно сложни организми.

they're incredibly complex organisms.

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

Така че, ако искате да ги убедите

да направят нещо, което не искат да правят, това е много трудно.

it's very difficult.

Така че, когато си мислим за бъдещите технологии,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

всъщност смятаме да използваме бактерии и вируси,

прости организми.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Можете ли да ги убедите да работят с нов набор от инструменти,

така че да могат да изградят структура,

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

която ще бъде важна за мен?

Also, when we think about future technologies,

Също така, ние си мислим за бъдещите технологии.

we start with the beginning of Earth.

Започваме с началото на Земята.

Общо-взето, били необходими един милиард години,

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

за да се появят живи организми на Земята.

And very rapidly, they became multi-cellular,

И много бързо, те станали многоклетъчни,

можели да се възпроизвеждат, можели да използват фотосинтеза,

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

като източник на тяхната енергия.

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

Но това не се случило до около преди 500 милиона години --

по време на камбрийския геоложки период от време --

during the Cambrian geologic time period --

когато организмите в океана започнали да правят твърди материали.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Преди това всички те били меки, пухкави структури.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

И по това време

It was during this time that there was increased calcium,

е имало увеличено количество калций и желязо,

iron and silicon in the environment,

и силиций в околната среда.

and organisms learned how to make hard materials.

И организмите се научили как да правят твърди материали.

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

И така, това е, което бих искала да мога да направя --

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

да убедя биологията

да заработи с останалата част от менделеевата таблица.

Now, if you look at biology,

Сега, ако се вгледате в биологията,

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

има много структури като ДНК и антитела,

и протеини и рибозоми, за които сте чували,

you've heard about,

които са вече наноструктурирани.

that are nanostructured --

Така че природата ни дава

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

наистина изискани структури от наномащаб.

What if we could harness them

Какво ще стане, ако можем да ги впрегнем

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

и да ги убедим да не бъдат антитела,

които причиняват нещо като ХИВ?

Но какво ще стане, ако можем да ги убедим

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

да изградят слънчеви батерии за нас?

Ето някои примери: това са някакви естествени черупки.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Това са естествени биологични материали.

The abalone shell here.

Черупката на охлюва тук -- и ако я счупите,

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

можете да видите факта, че е нано-структурирана.

Има диатомеи, направени от SiO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

и има магнетотактични бактерии,

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

които образуват малки, еднополюсни магнити, използвани за навигация.

What all these have in common

Това, което е общо за всички тези неща

is these materials are structured at the nano scale,

е, че тези материали са структурирани в наномащаб,

и те имат ДНК структура,

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

която кодира за протеинова последователност,

that gives them the blueprint

която им дава плана,

to be able to build these really wonderful structures.

който им позволява да изградят тези наистина прекрасни структури.

Now, going back to the abalone shell,

Сега, връщайки се към черупката на морския охлюв,

той образува черупката си от тези протеини.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Тези протеини са много отрицателно заредени.

They can pull calcium out of the environment,

И те могат да извличат калций от околната среда,

да натрупат слой от калций и след това карбонат, калций и карбонат.

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

Има химическата последователност на аминокиселините,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

която казва: "Ето как да се изгради структурата.

"This is how to build the structure.

Ето я ДНК последователността, ето я протеиновата последователност,

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

за да се направи."

in order to do it."

So an interesting idea is,

И така, една интересна идея е, какво ще стане, ако можем да вземем всякъв материал, който си поискаме,

what if you could take any material you wanted,

или всеки елемент от периодичната таблица,

or any element on the periodic table,

и намерим съответната последователност на ДНК,

and find its corresponding DNA sequence,

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

и после я кодираме за съответната протеинова последователност,

за да изградим структура, но не да изградим черупка на охлюв --

but not build an abalone shell --

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

да построим нещо, което в природата,

никога не е имало възможността да проработи все още.

И така, ето я периодичната таблица.

And so here's the periodic table.

И аз безспорно обожавам периодичната таблица.

I absolutely love the periodic table.

Всяка година за постъпващите първокурсници в Масачузетския технологичен институт (MIT)

Every year for the incoming freshman class at MIT,

имам направена периодична таблица, която казва:

I have a periodic table made that says,

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

"Добре дошли в MIT. Сега сте в своя елемент."

(Laughter)

И ако я обърнете, на гърба са аминокиселините,

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

with the pH at which they have different charges.

с PH стойностите, при които имат различен заряд.

And so I give this out to thousands of people.

И така, аз раздавам тези таблици на хиляди души.

And I know it says MIT and this is Caltech,

И знам, че пише MIT, a това е Калифорнийския технологичен институт,

но имам няколко излишни, ако хората искат.

but I have a couple extra if people want it.

И бях наистина щастлива

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

да приема президента Обама на визита в моята лаборатория през тази година,

по време на посещението му в MIТ,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

и аз много исках да му дам периодичната таблица.

Така че останах късно през нощта, и обсъждах със съпруга си:

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

"Как да подаря на президента Обама периодичната таблица?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Какво ще стане, ако той каже: "О, аз вече я имам,"

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

или: "Вече съм я запомнил?"

(Laughter)

И така, той дойде на посещение в моята лаборатория,

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

и разгледа наоколо -- беше страхотна визита.

And then afterward, I said,

И тогава по-късно, аз казах:

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

"Сър, искам да ви подаря периодичната таблица,

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

в случай, че някога сте в затруднение и трябва да изчислите молекулното тегло."

(Laughter)

И аз си мислех, че молекулно тегло звучи много по-малко странно,

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

отколкото моларна маса.

(Laughter)

Той я погледна

And he looked at it and said,

и каза:

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

"Благодаря ви. Ще гледам в нея периодично."

(Laughter)

(Смях)

(Applause)

(Ръкопляскане)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

И по-късно в лекция, която изнесе за чистата енергия,

he pulled it out and said,

той я извади и каза:

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

"А хората в MIT, те раздават периодични таблици."

Така че в основни линии, това, което не ви казах бе,

So basically what I didn't tell you

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

че преди около 500 милиона години, организмите започнали да правят материали,

но им били необходими около 50 милиона години, за да станат добри в това.

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

Необходими са им били около 50 милиона години,

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

за да се научат как да усъвършенстват как се прави черупката на морския охлюв.

И това е трудно за рекламиране сред студентите.

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

"Имам този страхотен проект -- 50 милиона години."

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

Така че трябва да разработим начин,

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

да се опитаме да правим това по-бързо.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

И така, ние използваме вирус, който е нетоксичен вирус,

наречен М13 бактериофаг,

чиято задача е да заразява бактерии.

whose job is to infect bacteria.

Той има проста структура на ДНК,

Well, it has a simple DNA structure

от която можете да изрязвате и добавяте

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

допълнителни ДНК последователности.

И правейки това, се позволява на вируса

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

да изразява случайни последователности от протеини.

This is pretty easy biotechnology,

И това е доста лесна биотехнология.

and you could basically do this a billion times.

Човек може да прави това буквално милиарди пъти.

So you can have a billion different viruses

И така, ние можем да се сдобием с един милиард различни вируси,

които са всички генетично идентични,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

но те се различават един от друг по техните върхове,

по една последователност,

on one sequence,

която кодира за един протеин.

that codes for one protein.

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

Сега, ако вземете всички милиард вируси,

и ги поставите в една капка течност,

you can force them to interact with anything you want

можете да ги принудите да си взаимодействат с всичко, което искате от периодичната таблица.

on the periodic table.

И чрез процеса на селективна еволюция,

And through a process of selection evolution,

можете да изолирате един на един милиард, който да прави нещо, което искате да прави,

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

като да прави батерия или да прави слънчева батерия.

like grow a battery or a solar cell.

В основни линии, вируси не могат да се самовъзпроизвеждат, те се нуждаят от гостоприемник.

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

Веднъж след като откриете този един на един милиард,

Once you find that one out of a billion,

го инфектирате в бактерия,

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

и правите милиони и милиарди копия

of that particular sequence.

на тази определена последователност.

The other thing that's beautiful about biology

Другото нещо, което е прекрасно в биологията е,

is that biology gives you really exquisite structures

че тя ви дава наистина изискани структури,

с хубави мащабни връзки.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

И тези вируси са дълги и оскъдни,

and we can get them to express the ability

и ние можем да ги накараме да изразяват способността

to grow something like semiconductors

да правят неща като полупроводници,

or materials for batteries.

или материали за батерии.

Това е батерия с висока мощност, която отгледахме в моята лаборатория.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Ние направихме вирус, който улавя въглеродни нанотръби.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Така че една част от вируса улавя въглеродни нанотръби.

the other part of the virus has a sequence

Другата част на вируса има последователност,

която може да отглежда електроден материал за батерия.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

И после се свързва сам към колектора на тока.

And so through a process of selection evolution,

И така, чрез процес на селективна еволюция,

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

ние започнахме от вирус, който прави кофти батерия,

до вирус, който прави добра батерия,

to a virus that made a good battery

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

до такъв, който прави разбиваща рекорди, високомощна батерия,

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

направена при стайна температура, върху лабораторен плот.

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

И тази батерия отиде в Белия дом за пресконференция.

Аз я донесох тук.

and I brought it here.

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

Можете да я видите тук, осветява този светодиод.

Now if we could scale this,

Ако можем да направим това в мащаб,

you could actually use it to run your Prius,

ще можете всъщност да я използвате,

за да задвижвате вашия Prius,

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

което е моята мечта -- да можем да караме автомобил, задвижван от вирус.

(Laughter)

Но в основни линии --

But basically you can pull one out of a billion,

можем да извадим един на един милиард.

and make lots of amplifications to it.

Можете да направите много допълнения към него.

Basically, you make an amplification in the lab,

По принцип, можем да го усилим в лабораторията.

И след това да го накараме да се самосглоби

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

в структура като батерия.

We're able to do this also with catalysis.

Можем да правим това и с катализата.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Това е пример

за фотокаталитично разделяне на водата.

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

И това, което успяхме да направим,

беше да разработим вирус, който да усвоява молекули, абсорбиращи багрилни вещества,

to basically take dye-absorbing molecules

и да ги подреди на повърхността на вируса,

and line them up on the surface of the virus

така че да действа като антена,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

и се получава енергиен трансфер по целия вирус.

И после му дадохме втори ген,

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

за да отглежда неорганичен материал,

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

който може да се използва за разделяне на водата

на кислород и водород,

that can be used for clean fuels.

които могат да бъдат използвани за чисти горива.

I brought an example of that with me today.

И аз донесох един пример с мен днес.

My students promised me it would work.

Моите студенти ми обещаха, че ще проработи.

These are virus-assembled nanowires.

Това са наножици, направени от вируси.

Когато ги осветите, можете да ги видите да бълбукат.

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

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

В този случай, виждате кислородни мехурчета, които излизат.

(Applause)

И чрез контролиране на гените,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

можете да контролирате различните материали, за да подобрите производителността на устройството.

Последният пример са слънчеви батерии.

The last example are solar cells.

Можете да правите това и със слънчеви батерии.

You can also do this with solar cells.

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

Успяхме да направим вируси,

които да уловят въглеродните нанотръби

and then grow titanium dioxide around them,

и да натрупат титанов диоксид около тях --

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

и да го използват като начин за получаване на електрони към устройството.

And what we've found is through genetic engineering,

И това, което открихме е, че чрез генното инженерство,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

всъщност можем да увеличим

ефективността на тези слънчеви батерии,

to record numbers

до рекордни стойности

for these types of dye-sensitized systems.

за този тип чувствителни към багрилни вещества системи.

And I brought one of those as well,

И аз ви донесох една от тези батерии,

that you can play around with outside afterward.

с която можете да си поиграете навън по-късно.

Така че това е слънчева батерия, базирана на вирус.

So this is a virus-based solar cell.

Чрез развитие и подбор,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

ние я подобрихме от осем процента ефективна слънчева батерия,

до 11% ефективна слънчева батерия.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Така че се надявам, че ви убедих,

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

че има много страхотни, интересни неща, които могат да се научат,

за това как природата прави материалите --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

и да отведем това на следващо ниво,

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

за да видим дали можем да насилим,

или дали можем да се възползваме от това как природата прави материалите,

за да направим неща, които природата все още не си е мечтала да направи.

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

Thank you.

Благодаря ви.

(Applause)