Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Překladatel: Václav Pavlín Korektor: Lucie Sara Zavodna

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

Napadlo mě, že bych řekla něco o tom, jak příroda tvoří materiály.

I brought along with me an abalone shell.

Přinesla jsem si s sebou škebli ušně.

Škeble je z biokompozitního materiálu,

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

což je z 98% uhličitan vápenatý

and two percent by mass protein.

a ze 2% bílkovina.

Přesto je 3000krát tužší

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

než jeho geologický protějšek.

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

A spousta lidí možná využívá látky s podobným složením.

Například křídu.

like chalk.

Fascinuje mě, jak příroda vytváří materiály

I've been fascinated by how nature makes materials,

a je spousta tajemství v tom,

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

jak odvádí tak dokonalou práci.

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

Částečně je to tím, že tyto materiály

mají makroskopickou strukturu,

ale jsou vytvářeny nanoskopicky.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Jsou vytvářeny nanoskopicky

and they use proteins that are coded by the genetic level

a používají bílkoviny sestavované na genetické úrovni,

což jim umožňuje vytvořit tyto vskutku dokonalé struktury.

that allow them to build these really exquisite structures.

Takže co považuji za velice zajímavé, je,

So something I think is very fascinating is:

co kdybychom mohli oživit

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

neživé struktury

like batteries and like solar cells?

jako baterie nebo solární články?

What if they had some of the same capabilities

Co kdyby měly některé z vlastností,

které má škeble,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

jako třeba

schopnost tvořit dokonalé struktury

at room temperature and room pressure,

při pokojové teplotě a tlaku,

using nontoxic chemicals

bez použití toxických chemikálií

and adding no toxic materials back into the environment?

a bez škodlivých látek, které by se vracely do životního prostředí?

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

Takže tohle je představa, o které jsem uvažovala.

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

No a co kdybychom mohli vypěstovat baterii v petriho misce?

Nebo, co kdybychom předali baterii genetickou informaci,

Or what if you could give genetic information to a battery

takže by se stala lepší

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

a vydržela déle

a přitom to udělali způsobem šetrným k životnímu prostředí?

in an environmentally friendly way?

A tak se vracíme ke škebli.

And so, going back to this abalone shell,

Kromě toho, že má nanostrukturu,

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

je na ní fascinující to,

when a male and female abalone get together,

že když se samčí a samičí škeble páří,

they pass on the genetic information that says,

vymění si genetickou informaci,

která říká: "Takhle se dělá dokonalý materiál.

"This is how to build an exquisite material.

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

Tady máš, jak to udělat za pokojové teploty a tlaku

a bez toxických látek."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Stejné je to s rozsivkami, které můžete vidět zde, což jsou skelné struktury.

which are glasseous structures.

Pokaždé, když se rozsivky dělí,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

předávají si genetickou informaci, která říká:

"Tady je, jak vytvořit perfektně

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

nano-strukturované sklo v oceánu.

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

A ty to pak můžeš dělat pořád znovu a znovu."

Takže co kdybyste mohli udělat to samé

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

se solárním článkem nebo baterií?

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

Ráda říkám, že můj oblíbený biomateriál je moje čtyřleté dítě.

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

Avšak každý, kdo někdy měl, nebo zná malé děti,

ví, že jsou to neuvěřitelně složité organismy.

they're incredibly complex organisms.

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

A tak, pokud je chcete přesvědčit,

aby udělali něco, co nechtějí, je to náročné.

it's very difficult.

Takže pokud přemýšlíme o budoucích technologiích,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

ve skutečnosti přemýšlíme o využití bakterií a virů -

jednoduchých organismů.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Můžeme je přesvědčit, aby pracovali s novými nástroji tak,

že budou schopny vytvořit strukturu,

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

která pro mě bude důležitá?

Also, when we think about future technologies,

Mimo to, uvažujeme o budoucích technologiích,

we start with the beginning of Earth.

Začneme se vznikem Země.

Obecně to trvalo miliardy let,

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

než na Zemi vznikl život.

And very rapidly, they became multi-cellular,

A velmi rychle se stal mnohobuněčným,

schopným replikace, mohl využívat fotosyntézu

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

jako zdroj energie.

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

Ale nebylo to dříve, než před 500 miliony lety -

během Kambria -

during the Cambrian geologic time period --

kdy organismy v oceánu začaly vytvářet pevné látky.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Předtím to byly měkké, nadýchané struktury.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

A bylo to během této doby,

It was during this time that there was increased calcium,

kdy se v prostředí zvýšilo množství

iron and silicon in the environment,

vápníku, železa a křemíku.

and organisms learned how to make hard materials.

A organismy se naučily jak vytvářet pevné látky.

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

A to je přesně to, co bych se chtěla naučit -

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

přesvědčit biologii,

aby pracovala se zbytkem periodické tabulky.

Now, if you look at biology,

Když se teď podívám na biologii,

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

je zde mnoho struktur jako DNA, protilátky

proteiny a ribozomy, o kterých jste slyšeli,

you've heard about,

které mají už teď nano strukturu.

that are nanostructured --

Takže příroda nám už teď

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

dává skutečně dokonalé nano struktury.

What if we could harness them

Co když je můžeme ovládnout

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

a přesvědčit, aby nebyly protilátkami,

které způsobují něco jako HIV?

Co kdybychom je mohli přesvědčit,

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

aby nám vytvořily solární články?

Takže tady jsou nějaké příklady: tohle jsou přírodní schránky.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Jsou to přírodní biologické látky.

The abalone shell here.

Tady je skeble - a když ji rozlomíte,

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

můžete si ověřit, že má nano strukturu.

Támhle jsou rozsivky tvořené SiO2

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

a magnetotactická bakterie,

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

která vytváří jedno pólové magnety použité k navigaci.

What all these have in common

Co mají všechny tyhle společené

is these materials are structured at the nano scale,

je, že všechny tyto materiály jsou vytvořené na nano úrovni

a mají DNA sekvenci,

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

která se kóduje na proteinovou sekvenci,

that gives them the blueprint

která jim dává plány,

to be able to build these really wonderful structures.

jak vytvořit skutečné úžasné struktury.

Now, going back to the abalone shell,

Teď se vraťme ke škebli.

Ušeň vytváří svou škebli tak, že má tyto proteiny.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Tyto proteiny jsou záporně nebité

They can pull calcium out of the environment,

a mohou odebírat vápník z prostředí.

Pokládají vrstvu vápníku a pak uhlíku, vápníku a uhlíku...

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

Má chemickou sekvenci aminokyselin,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

která říká: "Takhle se vytváří struktura.

"This is how to build the structure.

Tady je DNA sekvence, tady je proteinová sekvence,

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

aby to šlo vytvořit."

in order to do it."

So an interesting idea is,

A tak vzniká zajímavá myšlenka, co kdybyste mohli vzít jakýkoliv materiál chcete

what if you could take any material you wanted,

nebo jakýkoliv prvek periodické tabulky

or any element on the periodic table,

a najít odpovídající DNA sekvenci,

and find its corresponding DNA sequence,

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

poté to zakódovat do odpovídající proteinové sekvence

k vytvoření struktury, ale ne k vytvoření ušně -

but not build an abalone shell --

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

k vytvoření něčeho, skrze přírodu,

co ještě nikdy nemělo příležitost vzniknout.

A tak tady máme periodickou tabulku.

And so here's the periodic table.

A já naprosto zbožňuju periodickou tabulku.

I absolutely love the periodic table.

Každý rok mám pro nově příchozí ročník na MIT

Every year for the incoming freshman class at MIT,

připravenou periodickou tabulku, která říká:

I have a periodic table made that says,

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

"Vítejte na MIT. Nyní jste mezi stejnými prvky."

(Laughter)

A když ji otočíte, jsou tam aminokyseliny

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

with the pH at which they have different charges.

s úrovněmi PH, při kterých mají rozdílné náboje.

And so I give this out to thousands of people.

No a tak je rozdávám tisícům lidí.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Vím, že je tam napsáno MIT a tohle je Caltech (americké univerzity),

ale mám jich tu pár navíc, kdyby někdo chtěl.

but I have a couple extra if people want it.

A měla jsem velké štěstí,

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

že prezident Obama loni naštívil moji laboratoř

při návštěvě MIT

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

a hrozně jsem mu chtěla dát tuhle periodickou tabulku.

Tak jsem zůstala v noci vzhůru a bavila se s manželem:

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

"Jak mám dát prezidentu Obamovi periodickou tabulku?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Co když řekne: 'Oh, už jednu mám',

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

nebo, ''Už jsem si ji zapamatoval'?

(Laughter)

A tak navštívil moji laborku

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

a porozhlédl se kolem -- byla to skvělá návštěva.

And then afterward, I said,

A když bylo po všem, řekla jsem:

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

"Pane, Ráda bych Vám dala periodickou tabulku

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

pro případ, že byste se dostal do potíží a potřeboval spočítat molekulární váhu."

(Laughter)

A říkala jsem si, že molekulární váha zní mnohem méně šprtsky

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

než molární hmotnost.

(Laughter)

A tak se na ni podíval

And he looked at it and said,

a řekl:

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

"Děkuji. Budu se na ní dívat periodicky."

(Laughter)

(Smích)

(Applause)

(Potlesk)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

A později na své přednášce o čisté energii

he pulled it out and said,

ji vytáhl a řekl:

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

"A lidé na MIT rozdávají periodické tabulky."

Takže co jsem Vám ještě neřekla, je,

So basically what I didn't tell you

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

že zhruba před 500 miliony lety začaly organismy vytvářet materiály,

ale zabralo to asi 50 milionů let, než v tom začaly být dobré.

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

Trvalo 50 milionů let naučit se,

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

jak excelovat v tom, jak vytvořit tu škebli.

A to vytváří tlak na postgraduálního studenta.

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

"Mám tenhle bezva projekt -- 50 milionů let.."

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

A tak jsme museli najít způsob,

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

jakým to udělat mnohem rychleji.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

A tak jsme použili virus, je to netoxický virus,

nazvaný M13 bakteriofág,

jehož práce je nakazit bakterii.

whose job is to infect bacteria.

No a ten má jednoduchou DNA strukturu,

Well, it has a simple DNA structure

do které se můžete podívat a vyjmout

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

a vložit další DNA sekvence.

A když tohle uděláte, dovolí to viru

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

provést expresi náhodných proteinových sekvencí.

This is pretty easy biotechnology,

A tohle je vážně jednoduchá biotechnologie.

and you could basically do this a billion times.

A v podstatě to můžete provést milionkrát.

So you can have a billion different viruses

No a tak se do toho můžete pustit a mít miliardu různých virů,

které jsou všechny geneticky identické,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

ale liší se od sebe na základě

jedné sekvence,

on one sequence,

která kóduje jeden protein.

that codes for one protein.

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

Když pak vezmete celou tu miliardu virů

a dáte je do jediné kapky tekutiny,

you can force them to interact with anything you want

můžete je donutit reagovat s jakýmkoliv prvkem periodické tabulky chcete.

on the periodic table.

A skrze proces výběrové evoluce,

And through a process of selection evolution,

můžete vybrat jeden z miliardy, který dělá něco, co jste chtěli, aby dělal,

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

jako třeba vytváří baterii nebo solární článek.

like grow a battery or a solar cell.

Viry se ve skutečnosti nemohou replikovat, potřebují hostitele.

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

Jakmile najdete toho jednoho z miliardy,

Once you find that one out of a billion,

nakazíte jím bakterii

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

a můžete udělat miliony a miliardy kopií

of that particular sequence.

určité sekvence.

The other thing that's beautiful about biology

A další věc, která je krásná na biologii, je,

is that biology gives you really exquisite structures

že biologie vám nabízí opravdu úžasné struktury

s pěkně propojenými skupinami.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Tyhle viry jsou dlouhé a tenké

and we can get them to express the ability

a my je můžeme přinutit, aby si vytvořili schopnost

to grow something like semiconductors

nechat vyrůst něco jako polovodiče

or materials for batteries.

nebo materiály pro baterie.

A teď, tohle je velice silná baterie, kterou jsem si vypěstovala ve své laboratoři.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Vytvořili jsme virus, abychom získali uhlíkové nanotrubice.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Takže jedna část viru chytne uhlíkovou nanotrubici.

the other part of the virus has a sequence

Druhá číst viru má sekvenci,

která umí vypěstovat materiál pro elektrodu baterie.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

A pak se připojí jako elektrické vedení.

And so through a process of selection evolution,

A tak díky procesu výběrové evoluce

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

jsme se dostali od viru, který vyrábí mizernou baterii,

k viru, který vyrábí dobrou baterii,

to a virus that made a good battery

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

až k viru, který vytváří velice silnou baterii, která láme rekordy,

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

a která je kompletně vyrobená při pokojové teplotě a v podstatě na pracovním stole.

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

A tahle baterie putovala do Bílého domu na tiskovou konferenci.

Přinesla jsem ji tam.

and I brought it here.

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

Můžete ji vidět zde -- rozsvěcuje tuhle LEDku.

Now if we could scale this,

A kdybychom to mohli celé zvětšit,

you could actually use it to run your Prius,

mohli byste to použít

k napájení svého Priusu,

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

což je můj sen -- mít možnost řídit virem poháněné auto.

(Laughter)

Ale tohle je začátek --

But basically you can pull one out of a billion,

můžete vybrat jeden z miliardy.

and make lots of amplifications to it.

Můžete provést spoustu zvětšení.

Basically, you make an amplification in the lab,

V podstatě děláte zvětšení v laboratoři.

A potom se to dostane do stavu sebe-uspořádání

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

do struktury jako baterie.

We're able to do this also with catalysis.

Tohle jsme schopni udělat i s katalýzou.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Tady je příklad

fotokatalyckého rozkladu vody.

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

A co se nám povedlo udělat,

bylo, že jsme donutili virus vzít barvivo absorbující molekuly

to basically take dye-absorbing molecules

a vyrovnat je na povrchu viru tak,

and line them up on the surface of the virus

že se chová jako antena

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

a Vám pak prochází energie skrz virus.

A pak jsme přidali druhý gen

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

pro růst neorganického materiálu,

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

který může být použit k rozkladu vody

na kyslík a vodík,

that can be used for clean fuels.

které pak mohou být použity jako čistá paliva.

I brought an example of that with me today.

A já jsem dnes s sebou přinesla příklad.

My students promised me it would work.

Mí studenti mi slíbili, že to bude fungovat.

These are virus-assembled nanowires.

Tohle jsou virem vytvořené nano dráty.

Když na ně posvítíte světlem, všimnete si, že bublají.

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

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

V tom případě se díváte na unikající bublinky kyslíku.

(Applause)

A tak díky kontrole genů

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

můžete k vylepšení svého zařízení použít více látek.

Posledním příkladem jsou solární články.

The last example are solar cells.

To samé můžete udělat se solárními články.

You can also do this with solar cells.

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

Povedlo se nám upravit viry tak,

aby sebraly uhlíkové nanotrubice

and then grow titanium dioxide around them,

a potom je obalily oxidem titaničitým

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

a použily je jako způsob přenosu elektronů skrze zařízení.

And what we've found is through genetic engineering,

A co jsme zjistili bylo, že skrze genové inženýrství

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

můžeme ve skutečnosti zvýšit

výkonnost těchto solárních článků

to record numbers

na rekordní čísla

for these types of dye-sensitized systems.

právě pro tyto typy barvivem senzitizovaných systémů (Grätzelův článek)

And I brought one of those as well,

A jeden jsem také přinesla,

that you can play around with outside afterward.

takže si s ním pak můžete venku pohrát.

Takže tohle jsou na virech založené solární články.

So this is a virus-based solar cell.

Pomocí evoluce a výběru

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

jsme se posunuli od solárních článků s efektivitou 8%

k článkům s efektivitou 11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Takže doufám, že jsem Vás přesvědčila,

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

že v tom, jak příroda tvoří materiály, je k naučení spousta

skvělých a zajímavých věcí --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

a ve výsledku, k tomu, abyste

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

viděli, jestli můžete přírodu donutit

nebo jen využít toho, jak příroda tvoří materiály,

k výrobě věcí, o kterých se jí ani nesnilo.

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

Thank you.

Díky

(Applause)