Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Angela Blecher: Mit der Natur Batterien schaffen

Übersetzung: Alex Boos Lektorat: Karin Friedli

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

Ich dachte, ich erzähle ein wenig davon, wie die Natur Stoffe schafft.

I brought along with me an abalone shell.

Hier habe ich eine Abalone-Muschel.

Diese Abalone-Muschel ist ein Biokomposit,

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

das zu 98 Massenprozent aus Calziumkarbonat besteht

and two percent by mass protein.

und zwei Massenprozent Eiweiß.

Dennoch ist es 3000 Mal so hart

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

wie sein geologisches Gegenstück.

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

Und viele Menschen nutzen wohl Strukturen wie die Abalone-Muschel,

wie zum Beispiel Tafelkreide.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Mich fasziniert schon lang, wie die Natur Stoffe hervorbringt,

und es kommt eine Menge zusammen,

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

dass sie darin so hervorragend ist.

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

Ein Teil ist, dass diese Materialien

eine makroskopische Struktur haben,

jedoch auf der Nanoebene gebildet werden.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Sie werden auf der Nanoebene gebildet,

and they use proteins that are coded by the genetic level

und sie nutzen Proteine, die auf genetischer Ebene kodiert sind

und ihnen erlauben, diese wirklich vorzüglichen Strukturen hervorzubringen.

that allow them to build these really exquisite structures.

Daher bin ich manchmal fasziniert von der Idee

So something I think is very fascinating is:

diesen unbelebten Strukturen

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

Leben einzuhauchen,

like batteries and like solar cells?

wie Batterien und Solarzellen.

What if they had some of the same capabilities

Was, wenn sie einige der Fähigkeiten

der Abalone-Muschel hätten,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

also in der Lage wären,

diese vorzüglichen Strukturen zu schaffen,

at room temperature and room pressure,

bei Raumtemperatur und -druck,

using nontoxic chemicals

ohne giftige Chemikalien

and adding no toxic materials back into the environment?

und ohne Umweltvergiftung?

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

Das ist also die Vision, die ich seit langem habe.

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

Und was, wenn man eine Batterie in einer Petrischale züchten könnte?

Oder man einer Batterie genetische Information geben könnte,

Or what if you could give genetic information to a battery

so dass sie tatsächlich

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

mit der Zeit besser wird,

und das auf umweltfreundliche Art?

in an environmentally friendly way?

Und wenn wir nun zur Abalone-Muschel zurückkehren,

And so, going back to this abalone shell,

abgesehen von ihrer Nanostruktur

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

begeistert eine Sache:

when a male and female abalone get together,

wenn eine männliche und eine weibliche Abalone zusammen kommen,

they pass on the genetic information that says,

geben sie genetische Information weiter,

die sagt: "So baut man ein vorzügliches Material.

"This is how to build an exquisite material.

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

So macht man es bei Raumtemperatur und -druck,

ohne giftige Stoffe."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Genauso bei Kieselalgen, gläsernen Strukturen, die man hier sieht.

which are glasseous structures.

Jedes Mal, wenn die Kieselalgen sich vermehren,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

geben sie genetische Information weiter, die sagt:

"So wird Glas im Meer gemacht,

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

das eine perfekte Nanostruktur hat.

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

Und das kann man beliebig wiederholen."

Was wäre, wenn man dassselbe

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

mit einer Solarzelle oder Batterie machen könnte?

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

Mein liebstes Biomaterial ist ja mein Vierjähriger.

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

Aber jeder der mal eins hatte, oder kleine Kinder kennt weiß,

dass sie unglaublich komplexe Organismen sind.

they're incredibly complex organisms.

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

Wenn man sie also überzeugen wollte,

etwas zu tun, das sie nicht wollen, ist das sehr schwierig.

it's very difficult.

Wenn wir über zukünftige Technologien nachdenken,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

denken wir daher eher an den Gebrauch von Bakterien und Viren,

einfachen Organismen.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Kann man sie dafür gewinnen, mit einem neuen Werkzeugsatz zu arbeiten,

damit sie Strukturen hervorbringen,

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

die für mich bedeutsam sind?

Also, when we think about future technologies,

Daneben denken wir an zukünftige Technologien.

we start with the beginning of Earth.

Wir beginnen beim Anfang der Welt.

Im Grunde brauchte es eine Milliarde Jahre,

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

bis auf der Erde Leben enstand.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Und sehr schnell wurde es vielzellig,

die Zellen konnten sich teilen, sie konnten Photosynthese

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

zur Energiegewinnung einsetzen.

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

Aber erst vor etwa 500 Millionen Jahren –

während der Kambrischen Ära –

during the Cambrian geologic time period --

begannen Meeresorganismen, harte Stoffe zu bilden.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Davor gab es nur weiche, flockige Strukturen.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Und während dieser Zeit

It was during this time that there was increased calcium,

gab es vermehrt Kalzium, Eisen

iron and silicon in the environment,

und Silikon in der Lebenswelt.

and organisms learned how to make hard materials.

Da lernten die Organismen, harte Stoffe zu bilden.

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

Das würde ich also gern können –

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

die Biologie dazu bringen,

mit dem übrigen Teil des Periodensystems zu arbeiten.

Now, if you look at biology,

Wenn man nun die Biologie betrachtet,

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

gibt es viele Strukturen wie DNS und Antikörper

und Proteine und Ribosomen von denen man gehört hat,

you've heard about,

dass sie bereits nanostrukturiert sind.

that are nanostructured --

Die Natur zeigt uns also bereits

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

wirklich bemerkenswerte Strukturen im Nanomaßstab.

What if we could harness them

Was, wenn wir sie einspannen könnten,

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

und überzeugen, kein Antikörper zu sein,

der etwas wie HIV hervorbringt?

Was aber, wenn wir sie dazu bringen könnten,

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

eine Solarzelle für uns zu bauen?

Hier nun einige Beispiele: dies sind einige natürliche Muscheln.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Es gibt natürliche biologische Materialien.

The abalone shell here.

Die Abalone-Muschel hier – und wenn man sie bricht,

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

kann man feststellen, das sie eine Nanostruktur hat.

Diese Diatome sind aus Siliziumdioxid,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

und sie sind magnetotaktische Bakterien,

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

die kleine einpolige Magneten zur Navigation ausbilden.

What all these have in common

Sie alle haben gemeinsam,

is these materials are structured at the nano scale,

dass diese Materialen im Nanomaßstab strukturiert sind,

und sie haben eine DNS-Sequenz,

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

die eine Proteinsequenz beschreibt,

that gives them the blueprint

die ihnen Vorlage ist,

to be able to build these really wonderful structures.

damit sie diese wunderbaren Strukturen bilden können.

Now, going back to the abalone shell,

Nun, kommen wir zurück zur Abalone-Muschel:

die Abalone produziert diese Muschel, weil sie diese Proteine hat.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Diese Proteine sind stark negativ geladen.

They can pull calcium out of the environment,

Und sie können Kalzium aus der Umgebung anziehen,

und eine Schicht aus Kalzium und dann Karbonat bilden, Kalzium und Karbonat.

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

Sie hat die chemischen Strukturen von Aminosäuren

It has the chemical sequences of amino acids which says,

die sagen: "So wird diese Struktur gemacht.

"This is how to build the structure.

Hier ist die DNS-Sequenz, hier die Proteinsequenz,

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

damit es klappt."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Der interessante Aspekt ist, was man tun könnte, wenn man jedes beliebige Material

what if you could take any material you wanted,

oder jedes Element der Periodentafel nehmen könnte,

or any element on the periodic table,

und die korrespondierende DNS-Sequenz finden,

and find its corresponding DNA sequence,

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

diese dann für die entsprechende Proteinsequenz programmierte,

damit eine Struktur einstünde, aber keine Abalone-Muschel –

but not build an abalone shell --

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

etwas zu bauen, auf natürlichen Weg,

für das es vorher keine Gelegenheit hatte.

Hier nun die Periodentafel.

And so here's the periodic table.

Und ich liebe die Periodentafel sehr.

I absolutely love the periodic table.

Jedes Jahr wenn die Neulinge ans MIT kommen,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

lasse ich eine Periodentafel machen, auf der steht:

I have a periodic table made that says,

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

"Wilkommen am MIT, ihr seid nun in eurem Element."

(Laughter)

Und wenn man es umschlägt sieht man die Aminosäuren

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

with the pH at which they have different charges.

mit den PH-Werten, bei denen sie verschiedene Ladungen haben.

And so I give this out to thousands of people.

So verteile ich das an tausende Leute.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Und obwohl MIT draufsteht und wir hier in Caltech sind,

habe ich ein paar mehr dabei, falls jemand eins will.

but I have a couple extra if people want it.

Ich hatte das Glück,

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

dass Präsident Obama dieses Jahr mein Labor besuchte,

während seines Besuchs am MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

und ich wollte ihm unbedingt eine Periodentafel schenken.

Daher blieb ich die ganze Nacht auf, und redete mit meinem Mann,

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

"Wie gebe ich Präsident Obama eine Periodentafel?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Was, wenn er sagt, 'Ah, ich habe schon eine', oder

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

'Die kenne ich schon auswendig'?"

(Laughter)

Er kam also in mein Labor,

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

sah sich um – es war ein großartiger Besuch.

And then afterward, I said,

Danach sagte ich dann,

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

"Sir, ich möchte Ihnen eine Periodentafel schenken,

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

falls Sie jemals ein Molekülgewicht berechnen müssen."

(Laughter)

Und ich dachte, Molekülgewicht klänge weniger streberhaft

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

als Molekülmasse.

(Laughter)

Er sah es sich also an

And he looked at it and said,

und sagte:

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

"Danke, ich werde es mir periodisch ansehen."

(Laughter)

(Lachen)

(Applause)

(Applaus)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Und später bei einem Vortrag, den er zu sauberer Energie hielt,

he pulled it out and said,

nahm der die Tafel hervor und sagte:

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

"Von den Leuten am MIT bekommt man Periodentafeln."

Also, was ich Ihnen nicht erzählt habe,

So basically what I didn't tell you

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

ist dass vor etwa 500 Millionen Jahren, Organismen begannen Stoffe herzustellen,

aber es dauerte fast 50 Millionen Jahre, bis sie gut darin waren.

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

Sie brauchten fast 50 Millionen Jahre,

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

um zu lernen wie man den Bau einer Abalone-Muschel perfektioniert.

Das ist Studenten im Aufbaustudium schwer zu verkaufen.

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

"Ich habe diese tolle Projekt – 50 Millionen Jahre."

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

Wir mussten daher einen Weg finden,

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

für unseren Versuch, dies schneller zu tun.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Wir nehmen also ein Virus, das ungiftig ist,

M13 Bakteriophagus heißt,

und Bakterien befällt.

whose job is to infect bacteria.

Es hat eine einfache DNS-Struktur

Well, it has a simple DNA structure

die man teilen kann, um

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

zusätzliche DNS-Sequenzen einzufügen.

Und dadurch wird es dem Virus möglich,

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

beliebige Proteinstrukturen hervor zu bringen.

This is pretty easy biotechnology,

Das ist ziemlich einfache Biotechnologie.

and you could basically do this a billion times.

Man könnte das im Grunde eine Million Mal machen.

So you can have a billion different viruses

Man kann also eine Milliarde verschiedene Viren erhalten,

die genetisch alle identisch sind,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

aber verschieden hinsichtlich der Spitzen

einer Sequenz

on one sequence,

die ein Protein kodiert.

that codes for one protein.

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

Wenn man nun die Milliarde Viren nimmt –

und sie passen alle in einen Tropfen Flüssigkeit –

you can force them to interact with anything you want

kann man sie zwingen, mit irgendwas im Periodensystem zu interagieren.

on the periodic table.

Und durch eine Abfolge von Auswahl-Evolution,

And through a process of selection evolution,

kann man eines aus einer Milliarde fischen, das tut was man will,

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

wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Solarzelle wachsen lassen.

like grow a battery or a solar cell.

Grundsätzlich können Viren sich nicht selbst vermehren, sie brauchen einen Wirt.

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

Sobald man das eine in der Milliarde gefunden hat,

Once you find that one out of a billion,

infiziert man ein Bakterium,

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

und erhält Millionen und Milliarden Kopien

of that particular sequence.

dieser speziellen Sequenz.

The other thing that's beautiful about biology

Was daher noch schön ist an der Biologie,

is that biology gives you really exquisite structures

ist dass Biologie wirklich für vorzügliche Strukturen sorgt

mit schönen Größenordnungen der Verknüpfungen.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Und diese Viren sind lang und dünn,

and we can get them to express the ability

und wir können ihnen beibringen, die Fähigkeit zu zeigen,

to grow something like semiconductors

etwas wie Halbleiter wachsen zu lassen,

or materials for batteries.

oder Stoffe für Batterien.

Nun, dies ist eine leistungsstarke Batterie, die wir in unserem Labor haben wachsen lassen.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Wir haben einen Virus so manipuliert, dass er Kohlenstoff-Nanoröhren aufnimmt.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Der eine Teil des Virus nimmt also Kohlenstoff-Nanoröhren auf,

the other part of the virus has a sequence

der andere Teil des Virus hat eine Sequenz,

die ein Elektrodenmaterial für eine Batterie wachsen lassen kann.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Und dann verbindet es sich mit dem Spannungskollektor.

And so through a process of selection evolution,

Und so kamen über einen Prozess selektiver Evolution

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

von einem Virus, das eine lausige Batterie machte,

zu einem Virus, das eine gute Batterie machte,

to a virus that made a good battery

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

zu einem Virus, das eine Rekord brechende, leistungsstarke Batterie machte,

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

und das alles bei Raumtemperatur, im Grunde auf der Werkbank.

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

Und diese Batterie ging ans Weiße Haus anlässlich einer Pressekonferenz.

Ich hab sie mitgebracht.

and I brought it here.

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

Sie können sie hier in diesem Gehäuse sehen – sie treibt diese LED.

Now if we could scale this,

Wenn wir das nun skalieren könnten,

you could actually use it to run your Prius,

könnte man es tatsächlich benutzen,

um einen Prius anzutreiben,

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

was mein Traum ist – in der Lage zu sein, ein virusgetriebenes Auto zu fahren.

(Laughter)

Aber im Grunde –

But basically you can pull one out of a billion,

man nimmt einen aus einer Milliarde.

and make lots of amplifications to it.

Man kann es auf vielerlei Weise verstärken.

Basically, you make an amplification in the lab,

Normalerweise macht man die Verstärkung im Labor,

und dann bringt man es dazu, sich selbst

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

in die Struktur einer Batterie zusammenzufügen.

We're able to do this also with catalysis.

Wir können das auch katalysieren.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Hier ist ein Beispiel

von photokatalytischer Wassertrennung.

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

Und wir haben es geschafft,

das Virus dazu zu bringen, im Grunde farbabsorbierende Moleküle

to basically take dye-absorbing molecules

zu nehmen, und diese auf der Oberfläche des Virus aufzureihen,

and line them up on the surface of the virus

damit es als Antenne fungiert,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

und man einen Energietransfer durch das Virus bekommt.

Dann bringen wir ein zweites Gen ein,

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

um ein anorganisches Material zu erzeugen,

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

dass für die Spaltung des Wassers in Sauerstoff

und Wasserstoff benutzt werden kann,

that can be used for clean fuels.

der für saubere Treibstoffe verwendet werden kann.

I brought an example of that with me today.

Davon habe ich heute ein Exemplar dabei.

My students promised me it would work.

Meine Studenten haben mir versprochen, dass es funktioniert.

These are virus-assembled nanowires.

Das sind Nanokabel, die von Viren verlegt wurden.

Wenn man sie Licht aussetzt, kann man Blasen sehen.

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

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

In diesem Fall sieht man Sauerstoffblasen heraus kommen.

(Applause)

Im Prinzip kann man durch Steuerung der Gene

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

verschiedene Materialien steuern, um die Geräteleistung zu verbessern.

Das letzte Beispiel sind Solarzellen.

The last example are solar cells.

Man kann dies auch mit Solarzellen machen.

You can also do this with solar cells.

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

Wir konnten Viren dazu bringen,

Nanoröhren aufzunehmen

and then grow titanium dioxide around them,

und auf ihnen Titaniumdioxid anzulagern –

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

damit Elektronen durch das Gerät hindurch können.

And what we've found is through genetic engineering,

Wir haben herausgefunden – mittels Gentechnik –

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

dass wir tatsächlich die Effizienz

dieser Solarzellen auf Rekordzahlen

to record numbers

erhöhen können,

for these types of dye-sensitized systems.

bei dieser Art farbsensitivierter Systeme.

And I brought one of those as well,

Und davon habe ich auch eins mitgebracht,

that you can play around with outside afterward.

mit dem Sie später draußen herumspielen können.

Dies ist also eine Solarzelle auf Basis eines Virus.

So this is a virus-based solar cell.

Mittels Evolution und Selektion

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

haben wir aus einer Solarzelle mit acht Prozent Wirkungsgrad

eine Solarzelle mit elf Prozent Wirkungsgrad gemacht.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Ich hoffe, ich konnte Sie überzeugen,

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

dass es eine Menge großartiger, interessanter Dinge zu lernen gibt,

darüber wie die Natur Stoffe bildet –

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

und wie man das auf die nächste Stufe hebt,

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

um zu sehen, ob man die Art der natürlichen Stofferzeugung

forcieren kann, oder sie dazu nutzen,

Dinge herzustellen, deren Herstellung die Natur sich bislang nicht hat träumen lassen.

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

Thank you.

Ich danke Ihnen.

(Applause)