Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Translator: David J. Kreps Finnemann Reviewer: Anders Finn Jørgensen

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

Jeg tænkte at jeg vil tale en lille smule om hvordan naturen laver materialer.

I brought along with me an abalone shell.

Jeg tog en abaloneskal med mig.

Denne abaloneskal er et biokomposit materiale

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

hvor massen er 98 procent kalciumkarbonat

and two percent by mass protein.

og to procent af massen er protein.

Ja, det er 3.000 gange mere hårdfør

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

end sit geologiske modstykke.

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

Og mange mennesker bruger måske strukturer som abaloneskaller,

ligesom kridt.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Jeg er blevet fascineret af hvordan naturen laver materialer,

og der har meget at gøre med rækkefølge

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

måden hvorpå de laver sådan et elegant stykke arbejde.

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

En del af dette er at disse materialer

har en makroskopisk struktur,

men de bliver formet på nano målestoksforhold.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

De bliver formet på nano målestoksforhold,

and they use proteins that are coded by the genetic level

og de bruger proteiner der er kodet af det genetiske niveau

der tillader dem at bygge disse virkelig elegante strukturer.

that allow them to build these really exquisite structures.

Så noget som jeg synes er meget fascinerende

So something I think is very fascinating is:

er hvis man kunne bringe liv

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

til ikke levende strukturer,

like batteries and like solar cells?

ligesom batterier og ligesom solceller?

What if they had some of the same capabilities

Hvad hvis de havde nogle af de samme evner

som en abaloneskal havde,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

med hensyn til at være i stand til

at bygge virkelig elegante strukturer

at room temperature and room pressure,

ved stuetemperatur og stue trykniveau,

using nontoxic chemicals

ved at bruge ikke giftige kemikalier

and adding no toxic materials back into the environment?

og tillægger ikke giftige materialer tilbage til miljøet?

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

Så det er den vision jeg har tænkt på.

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

Så hvad hvis man kunne dyrke et batteri i en petriskål?

Eller, hvad hvis man kunne give genetisk information til et batteri

Or what if you could give genetic information to a battery

så det faktisk kunne blive bedre

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

med tiden,

og gøre det på en miljøvenlig måde?

in an environmentally friendly way?

Så, når man går tilbage til abaloneskallen,

And so, going back to this abalone shell,

ud over at være nanostruktureret,

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

en ting der er fascinerende,

when a male and female abalone get together,

er når en mandlig og en kvindelig abalone finder sammen,

they pass on the genetic information that says,

giver de genetisk information videre

der siger, "Dette er hvordan man bygger et elegant materiale.

"This is how to build an exquisite material.

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

Her er hvordan man gør det ved stuetemperatur og trykniveau,

ved hjælp af ikke giftige materialer."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Det samme med kiselalger, der er vist her til højre, der er glasagtige strukturer.

which are glasseous structures.

Hver gang kiselalgerne formerer sig,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

giver de genetisk information der fortæller,

"Sådan bygger man glas i havet

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

der er perfekt nanostruktureret.

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

Og man kan lave det ens, igen og igen."

Så hvad hvis man kunne gøre det samme

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

med en solcelle eller et batteri?

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

Jeg kan godt lide at sige at mit yndlings biomateriale er min fire-årige.

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

Men alle der nogensinde har haft, eller kender, små børn

ved at de er utrolig komplicerede organismer.

they're incredibly complex organisms.

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

Så hvis man ville overbevise dem

om at gøre noget de ikke vil gøre, er det meget vanskeligt.

it's very difficult.

Så når vi tænker på fremtidige teknologier,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

vi tænker faktisk på at bruge bakterier og virusser,

simple organismer.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Kan man overbevise dem om at arbejde med en ny værktøjskasse,

så de kan bygge en struktur

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

der vil være vigtig for mig?

Also, when we think about future technologies,

Ligeledes, når vi tænker på fremtidige teknologier,

we start with the beginning of Earth.

begynder vi med begyndelsen på Jorden.

Dybest set, tog det en milliard år

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

før der var liv på Jorden.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Og meget hurtigt, blev det multicellulær liv,

som de kunne reproducere, de kunne bruge fotosyntese

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

som deres energikilde.

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

Men det var ikke indtil for 500 millioner år siden --

i den cambriske geologiske tids periode --

during the Cambrian geologic time period --

at organismerne i havet begyndte at lave hårde materialer.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Før det, var de alle bløde, dunagtige strukturer.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Og det var i denne periode

It was during this time that there was increased calcium,

at der var forhøjet kalcium og jern

iron and silicon in the environment,

og silikone i miljøet,

and organisms learned how to make hard materials.

og organismerne lærte hvordan man laver hårde materialer.

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

Så det er det jeg gerne ville være i stand til at gøre --

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

overbevise biologi

om at arbejde sammen med resten af det periodiske system.

Now, if you look at biology,

Hvis man kigger på biologi,

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

er der mange strukturer som DNA og antistoffer

og proteiner og ribosomer som man har hørt om

you've heard about,

som allerede er nanostruktureret.

that are nanostructured --

Så naturen giver os allerede

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

virkelig elegante strukturer på nanoniveau.

What if we could harness them

Hvad ville der sker hvis vi kunne udnytte dem

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

og overbevise dem om ikke at være et antistof

der gør noget ligesom HIV?

Men hvis vi kunne overbevise dem

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

om at bygge en solcelle for os?

Så her er der nogle eksempler: dette er nogle naturlige skaller.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Det er naturlige biologiske materialer.

The abalone shell here.

Abaloneskallen her -- og hvis man brækker det,

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

kan man se på det faktum at det er nanostruktureret.

Der er diatomer lavet af SIO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

det er magnetotaktiske bakterier

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

der laver små, enkelt område magneter der bruges til navigation.

What all these have in common

Det som alle disse har tilfælles

is these materials are structured at the nano scale,

er at disse materialer er struktureret på nanoniveau,

og de har en DNA sekvens

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

der koder en bestemt proteinsekvens

that gives them the blueprint

der giver dem grundtegningen

to be able to build these really wonderful structures.

til at være i stand til at bygge disse virkelig vidunderlige strukturer.

Now, going back to the abalone shell,

Går vi tilbage til abaloneskallen,

laver abalonen denne skal ved at have disse proteiner.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Disse proteiner er meget negativt ladede.

They can pull calcium out of the environment,

Og de kan trække kalcium ud af miljøet,

lægge et lag kalcium og så karbonat, kalcium og karbonat.

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

Den har den kemiske sekvens af aminosyrer,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

der siger, "Dette er hvordan man bygger strukturen.

"This is how to build the structure.

Her er DNA sekvensen, her er proteinsekvensen

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

til at kunne gøre det."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Så en interessant ide er, hvad hvis man kunne tage et hvilket som helst materiale man ville,

what if you could take any material you wanted,

eller hvilket som helst element i det periodiske system,

or any element on the periodic table,

og finder dens tilsvarende DNA sekvens,

and find its corresponding DNA sequence,

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

og så koder den til en tilsvarende proteinsekvens

for at bygge en struktur, men ikke bygger en abaloneskal --

but not build an abalone shell --

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

men bygger noget der, gennem naturen,

har den aldrig fået muligheden til at arbejde endnu.

Så her er det periodiske system.

And so here's the periodic table.

Og jeg elsker absolut det periodiske system.

I absolutely love the periodic table.

Hvert år ved den tiltrædende førsteårselev klasse ved MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

har jeg lavet en periodisk tabel der siger,

I have a periodic table made that says,

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

"Velkommen til MIT. Du er nu i dit rette element."

(Laughter)

Og man vender den om, og det er aminosyrer

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

with the pH at which they have different charges.

med PH værdien hvor de har forskellige ladninger.

And so I give this out to thousands of people.

Så jeg giver dette til tusindevis af mennesker.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Og jeg ved der står MIT, og dette er Caltech,

men jeg har et par ekstra hvis folk vil have dem.

but I have a couple extra if people want it.

Og det var virkelig heldigt

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

at have President Obama på besøg i mit laboratorium sidste år

på hans visit til MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

og jeg ville virkelig gerne give ham det periodiske system.

Så jeg blev oppe om natten, og jeg talte med min mand,

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

"Hvordan giver jeg President Obama det periodiske system?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Hvad hvis han siger, 'Åh, den har jeg allerede.'

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

eller, 'Jeg har allerede lært den udenad'?" (Latter)

(Laughter)

Så han kom og besøgte mit laboratorium

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

og kiggede omkring -- det var et storartet besøg.

And then afterward, I said,

Og bagefter, sagde jeg,

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

"Sir, jeg vil give dig det periodiske system

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

for det tilfælde at du kommer i knibe og har brug for at beregne molekylevægt."

(Laughter)

Og jeg troede molekylær vægt lød meget mindre nørdet

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

end molær masse.

(Laughter)

Så han kiggede på den,

And he looked at it and said,

og han sagde,

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

"Tak. Jeg vil kigge på det periodisk."

(Laughter)

(Latter)

(Applause)

(Bifald)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Og senere i en forelæsning som han gav om ren energi

he pulled it out and said,

fandt han det frem og sagde,

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

"Og folkene ved MIT, de gav mig dette periodiske system."

Så det jeg dybest set ikke fortalte jer

So basically what I didn't tell you

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

er at for cirka 500 millioner år siden, begyndte organismer at lave materialer,

men det tog dem cirka 50 millioner år at blive gode til det.

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

Det tog dem cirka 50 millioner år

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

at lære hvordan man perfektionerer det at lave abaloneskaller.

Og det er hårdt at sælge til kandidatstuderende. (Latter)

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

"Jeg har dette imponerende projekt -- 50 millioner år."

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

Så vi skulle udvikle en måde

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

til at prøve at gøre dette hurtigere.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Så vi bruger en virus der er en ikke giftig virus

der hedder M13 bakteriofag

hvis job er at inficere bakterie.

whose job is to infect bacteria.

Jamen den har en simpel DNA struktur

Well, it has a simple DNA structure

som man kan gå ind og klippe og klistre

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

yderligere DNA sekvenser i.

Og ved at gøre det, tillader det viruset

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

at udtrykke tilfældige protein sekvenser.

This is pretty easy biotechnology,

Og dette er ret nem bioteknologi.

and you could basically do this a billion times.

Og man kunne dybest set gøre dette en milliard gange.

So you can have a billion different viruses

Så man kan gå ind og have en milliard forskellige virusser

der alle er genetisk identiske,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

men de er forskellige fra hinanden baseret på deres spids,

på en sekvens

on one sequence,

der koder et protein.

that codes for one protein.

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

Hvis man nu tager alle en milliard virusser,

og man kan putte dem i en dråbe væske,

you can force them to interact with anything you want

kan man tvinge dem til at interagere med hvad som helst man vil i det periodiske system.

on the periodic table.

Og gennem en evolutionær udvælgelsesproces,

And through a process of selection evolution,

kan man vælge en ud af en milliard der gør noget man vil have det til,

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

som at dyrke et batteri eller en solcelle.

like grow a battery or a solar cell.

Så i bund og grund, kan virusser ikke reproducere; de har brug for en vært.

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

Når man finder den ene ud af milliarden,

Once you find that one out of a billion,

inficerer man den ind i en bakterie,

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

og man laver millioner af millioner af kopier

of that particular sequence.

af den bestemte sekvens.

The other thing that's beautiful about biology

Så den anden ting der er smuk ved biologi,

is that biology gives you really exquisite structures

er at biologi giver os virkelig elegante strukturer

med flotte sammenkædede niveauer.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Og disse virusser er lange og tynde,

and we can get them to express the ability

og vi kan få dem til at udtrykke evnen

to grow something like semiconductors

til at dyrke noget som halvledere

or materials for batteries.

eller materialer til batterier.

Nu er dette et kraftigt batteri vi dyrkede i mit laboratorium.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Vi designede et virus til at samle kulstof nanorør.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Så en del af virussen snupper et kulstof nanorør.

the other part of the virus has a sequence

Den anden del af virussen har en sekvens

der kan dyrke et elektrode materiale til et batteri.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Og så tilslutter den sig selv til den nuværende samler.

And so through a process of selection evolution,

Så gennem en evolutionær udvælgelsesproces,

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

gik vi fra at være i stand til at have en virus der lavede usselt batteri

til en virus der lavede et godt batteri

to a virus that made a good battery

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

til en virus der lavede kraftige batterier der slog tidlige rekorder,

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

der alt sammen bliver lavet ved stuetemperatur, dybest set på brugsstedet.

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

Og det batteri var med ved det Hvide Hus til en pressekonference.

Jeg tog det med her.

and I brought it here.

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

Man kan se den i denne kasse -- den giver lys til denne LED.

Now if we could scale this,

Hvis man nu kunne lave det i et andet størrelsesforhold,

you could actually use it to run your Prius,

kunne man faktisk bruge det

til at drive ens Prius,

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

hvilket er min drøm -- at være i stand til at køre en virus drevet bil.

(Laughter)

Men det er i bund og grund --

But basically you can pull one out of a billion,

man kan vælge en ud af milliard.

and make lots of amplifications to it.

Man kan lave mange suppleringer til det.

Basically, you make an amplification in the lab,

Dybest set, kunne man lave en supplering i laboratoriet,

og så kunne man få det til at samle sig selv

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

til en struktur ligesom et batteri.

We're able to do this also with catalysis.

Vi er i stand til også at gøre dette med katalyse.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Dette er eksemplet

på fotokatalytisk deling af vand.

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

Og det vi har været i stand til at gøre

er at designe et virus til dybest set at tage farvestof absorberende molekyler

to basically take dye-absorbing molecules

og sætte dem på linje på virussets overflade

and line them up on the surface of the virus

så det virker som en antenne,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

og man kan få en energi overførsel hen over virusset.

Og så giver vi det et andet gen

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

til at dyrke et uorganisk materiale

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

der kan bruges til at dele vand

til oxygen og hydrogen

that can be used for clean fuels.

der kan bruges til ren brændstof.

I brought an example of that with me today.

Og jeg har taget et eksempel med mig i dag.

My students promised me it would work.

Mine studerende lovede mig at det ville virke.

These are virus-assembled nanowires.

Der er virus samlede nanotråde.

Når man skinner lys på dem, kan man se at de bobler.

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

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

I dette tilfælde, ser man oxygen boblerne komme ud.

(Applause)

Og dybest set, ved at kontrollere generne,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

kan man kontrollere adskillige materialer til at forbedre ens apparats præstation.

Det sidste eksempel er solceller.

The last example are solar cells.

Man kan også gøre dette med solceller.

You can also do this with solar cells.

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

Vi har været i stand til at designe virusser

til at samle kulfiber nanorørene

and then grow titanium dioxide around them,

og så dyrke titaniumdioxid omkring dem --

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

og bruge som en måde til at få elektronerne gennem apparatet.

And what we've found is through genetic engineering,

Og det vi har fundet ud af gennem genetisk design,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

er at vi faktisk kan forhøje

effektiviteten af disse solceller

to record numbers

til rekordhøje tal

for these types of dye-sensitized systems.

for denne type farvestof følsomme systemer.

And I brought one of those as well,

Og jeg medbragte en af dem også

that you can play around with outside afterward.

som man kan lege rundt med udenfor bagefter.

Dette er en virusbaseret solcelle.

So this is a virus-based solar cell.

Gennem evolution og udvælgelse,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

vi det fra en otte procent effektiv solcelle

til en 11 procent effektiv solcelle.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Så jeg håber at jeg overbeviste jer

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

om at der er mange gode, interessante ting at lære

om hvordan naturen laver materialer --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

og tage det næste skridt

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

for at se om man kan påvirke,

eller om man kan udnytte hvordan naturen laver materialer,

til at lave ting som naturen endnu ikke har drømmet om at lave.

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

Thank you.

Tak.

(Applause)