Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Angela Belcher. Sobre el uso de la naturaleza para crear baterías.

Traductor: Jaime Gonzalez Magallanes Revisor: Alex Alonso

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

Voy a platicar un poco acerca del modo en que la naturaleza crea materiales.

I brought along with me an abalone shell.

Traje una concha de abulón.

Esta concha de abulón es un material bio-compuesto

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

y el 98% de su masa es carbonato de calcio,

and two percent by mass protein.

el otro 2% es proteína.

Con todo ello, es 3,000 veces más duro

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

que su contraparte geológica.

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

Y mucha gente podría usar estructuras como las conchas de abulón.

como tiza.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Estoy fascinada por la manera en la que la naturaleza hace materiales

y hay mucha secuencia

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

en cómo hacen un trabajo tan exquisito.

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

Parte de ello es que estos materiales

son macroscópicos en su estructura.

pero se forman en una nano-escala

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Se construyen a nano-escala,

and they use proteins that are coded by the genetic level

y usan proteínas que están codificadas a nivel genético.

que les permiten construir estas exquisitas estructuras.

that allow them to build these really exquisite structures.

Hay algo que encuentro verdaderamente fascinante

So something I think is very fascinating is:

y es: ¿Qué pasaría si pudieras dar vida

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

a estructuras no vivas,

like batteries and like solar cells?

como baterías y celdas solares?

What if they had some of the same capabilities

¿Qué tal si tuvieran algunas de las mismas capacidades

que la concha de abulón?

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

Es decir ¿Podrían ser capaces

de construir estructuras exquisitas

at room temperature and room pressure,

a presión y temperatura ambiente,

using nontoxic chemicals

usando materiales no tóxicos

and adding no toxic materials back into the environment?

y sin emitir compuestos tóxicos al medio ambiente?

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

Esa es la visión que tengo en mente.

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

¿Qué tal si pudiéramos hacer crecer una batería en una caja de petri?

O, ¿Qué tal si pudiéramos darle información genética a una batería

Or what if you could give genetic information to a battery

que pudiera mejorar su desempeño

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

como función del tiempo,

y de forma ambientalmente amigable?

in an environmentally friendly way?

Volvamos a la concha de abulón,

And so, going back to this abalone shell,

además de tener una nano-estructura

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

otra cosa que es fascinante,

when a male and female abalone get together,

es que cuando el abulón macho y la hembra se juntan,

they pass on the genetic information that says,

pasan su información genética

que dice: "Esta es la manera de hacer un material exquisito.

"This is how to build an exquisite material.

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

Aquí dice como hacerlo a temperatura y presión ambientales,

usando materiales no tóxicos."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Igual con las diatomeas, que se muestran aquí y que tienen estructuras vidriadas.

which are glasseous structures.

Cada vez que la diatomea se replica,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

lleva consigo la información genética que dice,

"He aquí cómo construir vidrio en el océano

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

que es una perfecta nano-estructura.

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

Y puedes hacer lo mismo una y otra vez."

¿Qué tal si pudiéramos hacer lo mismo

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

con una celda solar o una batería?

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

Me gusta decir que mi biomaterial favorito es mi hijo de cuatro años.

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

Pero cualquiera que haya tenido o conozca a niños pequeños

sabe que son organismos increíblemente complejos.

they're incredibly complex organisms.

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

Y que si quieres convencerlos

de hacer algo que no quieren, es súper difícil.

it's very difficult.

Así que cuando pensamos acerca de futuras tecnologías,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

pensamos en usar bacterias y virus,

organismos simples.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

¿Pueden ustedes convencerlos que trabajen con nuevas herramientas,

de manera que puedan construir una estructura

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

que sea importante para mí?

Also, when we think about future technologies,

También pensamos acerca de tecnologías del futuro.

we start with the beginning of Earth.

Comencemos con el inicio de la Tierra.

Básicamente le tomó un millardo de años

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

generar vida en el planeta.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Y de manera muy rápida se convirtió en multicelular,

que podía replicarse y podía usar fotosíntesis

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

para conseguir su propia energía.

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

Pero no fue sino hasta hace 500 millones de años

durante la era geológica del Cámbrico

during the Cambrian geologic time period --

que los organismos del océano empezaron a hacer materiales duros.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Antes de eso todo era suave, estructuras esponjosas.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Y fue durante ese tiempo

It was during this time that there was increased calcium,

que hubo un incremento de calcio, hierro

iron and silicon in the environment,

y silicio en el ambiente.

and organisms learned how to make hard materials.

Y los organismos aprendieron cómo hacer materiales duros.

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

Así que eso es lo que me gustaría hacer,

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

convencer a los seres vivos

para que trabajen con el resto de la tabla periódica.

Now, if you look at biology,

Ahora que miremos a la vida,

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

hay muchas estructuras como el DNA y los anticuerpos

y proteínas y ribosomas de los que ustedes han oído hablar

you've heard about,

ellos son de hecho nano-estructuras.

that are nanostructured --

La naturaleza nos da de manera natural

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

estructuras exquisitas a nivel de nano-escala.

What if we could harness them

¿Qué tal si pudiéramos domesticarlas

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

y convencerlas de no ser un anticuerpo

que hace algo como el HIV?

¿Pero qué tal su pudiéramos convencerlas

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

de construir una celda solar para nosotros?

Aquí hay algunos ejemplos: Estas son algunas conchas naturales.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Estos son materiales biológicos naturales.

The abalone shell here.

La concha de abulón aquí, y si acaso la rompes,

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

puedes ver el hecho de que es una nano-estructura.

Estas son diatomeas, hechas de SIO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

y estas son bacterias magneto-tácticas

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

que hacen pequeños imanes permanentes usados para navegación.

What all these have in common

Lo que todas ellas tienen en común

is these materials are structured at the nano scale,

es que estos materiales tienen estructuras a nivel de nano-escala,

y que tienen una secuencia de ADN

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

que codifica una secuencia proteica,

that gives them the blueprint

así que eso les da el bosquejo

to be able to build these really wonderful structures.

para que puedan construir estas maravillosas estructuras.

Now, going back to the abalone shell,

Ahora, volviendo a la concha de abulón,

el abulón hace esta concha teniendo consigo estas proteínas.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Estas proteínas tienen cargas muy negativas.

They can pull calcium out of the environment,

Y podrían sacar calcio del medio ambiente,

poner una capa de calcio y después carbonato, calcio y carbonato.

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

Tiene la secuencia química de amino-ácidos

It has the chemical sequences of amino acids which says,

que dice, "Así es como se arma la estructura.

"This is how to build the structure.

Aquí viene la secuencia de DNA, aquí la secuencia de proteínas

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

para armar todo."

in order to do it."

So an interesting idea is,

De aquí surge la idea: ¿Qué tal si pudieras tomar el material que quisieras,

what if you could take any material you wanted,

o cualquier elemento de la tabla periódica,

or any element on the periodic table,

y encontrar la secuencia de DNA que le corresponde,

and find its corresponding DNA sequence,

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

y despues codificar su secuencia proteica

para armar la estructura, pero no construir una concha de abulón --

but not build an abalone shell --

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

sino construir algo en lo que la naturaleza

nunca podido trabajar antes.

Aquí esta la tabla periódica.

And so here's the periodic table.

Yo amo la tabla periódica.

I absolutely love the periodic table.

Cada año doy una clase a los recién llegados al MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

Y les regalo una tabla periódica que dice,

I have a periodic table made that says,

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

"Bienvenidos al MIT. Ahora están en su elemento."

(Laughter)

Si le dan la vuelta, encontrarán los amino-ácidos

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

with the pH at which they have different charges.

con el pH en el que presentan diferentes cargas.

And so I give this out to thousands of people.

Le regalo esta tabla a miles de personas.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Ya sé que dice MIT y estamos en Caltech,

pero tengo unas que me sobran si acaso las quieren.

but I have a couple extra if people want it.

Y fui realmente afortunada

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

de recibir al Presidente Obama en mi laboratorio este año

en su visita al MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

y de verdad que tenía ganas de regalarle una tabla periódica.

Así que en una noche de insomnio le dije a mi esposo,

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

"¿Cómo le podría dar una tabla periódica al Presidente Obama?"

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Que tal si me contesta, '¡Ah! Ya tengo una,'

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

o, 'Ya me la sé de memoria'?"

(Laughter)

Y finalmente llegó a mi laboratorio

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

y miró alrededor -fue una gran visita.

And then afterward, I said,

Y después le dije

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

"Señor, quisiera darle una tabla periódica

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

en caso de que algún día este en problemas y necesite calcular un peso molecular."

(Laughter)

Pensé que peso molecular sonaba mucho menos extraño

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

que masa molecular.

(Laughter)

Así que la vio,

And he looked at it and said,

y dijo,

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

"Gracias. La voy a ver periódicamente."

(Laughter)

(Risas)

(Applause)

(Aplausos)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Y después en una presentación que él dio sobre energía limpia,

he pulled it out and said,

sacó su tabla y dijo,

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

"Y hay gente en el MIT que regala tablas periódicas."

Así que básicamente, lo que no les he dicho

So basically what I didn't tell you

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

es que hace 500 millones de años, los organismos empezaron a fabricar materiales,

pero les tomó 50 millones de años ser buenos en eso.

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

Les tomó 50 millones de años

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

aprender como perfeccionar el proceso de fabricación de la concha de abulón.

Y eso es algo difícil de venderle a un estudiante de posgrado.

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

"Tengo este gran proyecto -50 millones de años."

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

Así que tuvimos que desarrollar un método

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

para tratar de hacer esto más rápido.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Utilizamos un virus, un virus no tóxico,

llamado bacteriófago M13

cuyo trabajo es infectar una bacteria.

whose job is to infect bacteria.

Su DNA tiene una estructura simple

Well, it has a simple DNA structure

y le puedes simplemente cortar y pegar

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

secuencias adicionales de DNA.

Y al hacer esto, permites que el virus

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

exprese secuencias aleatorias de proteínas.

This is pretty easy biotechnology,

Y esta es una biotecnología sencilla.

and you could basically do this a billion times.

Y es posible hacer esto mil millones de veces.

So you can have a billion different viruses

Y puedes ir y tener mil millones de virus diferentes

que sean genéticamente idénticos,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

pero que sean diferentes unos de otros por sus terminaciones

en una secuencia

on one sequence,

que codifica una proteína.

that codes for one protein.

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

Ahora, si tomamos mil millones de virus,

y los ponemos en una gota de líquido,

you can force them to interact with anything you want

podemos forzarlos a interactuar con cualquier cosa en la tabla periódica.

on the periodic table.

Y a través del proceso de selección-evolución,

And through a process of selection evolution,

podemos obtener uno en mil millones que haga algo que nos gustaría que hiciera,

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

como fabricar una batería o una celda solar.

like grow a battery or a solar cell.

Para que los virus puedan replicarse necesitan un huésped.

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

Una vez que encontramos ese uno en mil millones,

Once you find that one out of a billion,

infectamos una bacteria,

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

y hacemos miles de millones de copias

of that particular sequence.

de esa secuencia en particular.

The other thing that's beautiful about biology

La otra cosa maravillosa de la biología

is that biology gives you really exquisite structures

es que la biología nos da exquisitas estructuras

con verdadera armonía.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Estos virus son largos y delgados,

and we can get them to express the ability

y podemos hacer que expresen la habilidad

to grow something like semiconductors

de fabricar algo como semiconductores

or materials for batteries.

o materiales para baterías.

Esta es una batería de alta potencia que fabricamos en mi laboratorio.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Fabricamos un virus que utilizaba nanotubos de carbón.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Una parte del virus agarraba un nanotubo de carbón.

the other part of the virus has a sequence

La otra parte del virus tiene una secuencia

que puede generar material para el electrodo de una batería.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Y después se conecta a sí mismo con el colector de corriente.

And so through a process of selection evolution,

Y a través del proceso de selección-evolución,

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

vamos desde un virus que fabrica una batería sencilla

hasta un virus que hace una buena batería

to a virus that made a good battery

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

y hasta un virus que hace una batería de alta potencia capaz de romper records

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

hecha totalmente a temperatura ambiente, básicamente en la mesa del laboratorio.

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

Y esa batería viajó hasta la Casa Blanca para una conferencia de prensa.

La traje conmigo.

and I brought it here.

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

Pueden ver en este caso, que mantiene esta lámpara encendida.

Now if we could scale this,

Si pudiéramos escalar esto,

you could actually use it to run your Prius,

podríamos usarlo

para hacer rodar a su auto,

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

ese es mi sueño, poder manejar un auto alimentado por virus.

(Laughter)

El proceso es básicamente --

But basically you can pull one out of a billion,

que puedas sacar uno de mil millones.

and make lots of amplifications to it.

Poder hacer muchas copias del mismo.

Basically, you make an amplification in the lab,

Básicamente podríamos hacer una amplificación en el laboratorio.

Y después hacer que se auto-ensamble

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

para dar la estructura de una batería.

We're able to do this also with catalysis.

Podemos hacer esto con catalizadores.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

En este ejemplo

de un separador catalítico de agua.

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

Y eso es lo que hemos podido hacer

modificar el virus para que absorba moléculas de tinta

to basically take dye-absorbing molecules

y ponerlas alineadas en la superficie del virus

and line them up on the surface of the virus

así que actúa como antena.

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

y obtenemos una transferencia de energía a través del virus.

Y entonces le damos un segundo gen

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

para utilizar un material inorgánico

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

que pueda usarse para separar agua

en hidrógeno y oxígeno,

that can be used for clean fuels.

que puede usarse como combustible limpio.

I brought an example of that with me today.

Hoy traje conmigo este ejemplo.

My students promised me it would work.

Mis alumnos me prometieron que funcionaría.

These are virus-assembled nanowires.

Estos son nano-cables ensamblados por virus.

Cuando les echamos la luz, pueden ver que hay un burbujeo.

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

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

En este caso, están observando burbujas de oxígeno salir.

(Applause)

Fundamentalmente, mediante el control de los genes,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

podemos controlar múltiples materiales y mejorar el desempeño de sus equipos.

El último ejemplo son las celdas solares.

The last example are solar cells.

Podemos hacer esto con celdas solares.

You can also do this with solar cells.

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

Hemos diseñado virus

que pueden tomar nanotubos de carbono

and then grow titanium dioxide around them,

y depositar una capa de dióxido de titanio a su alrededor --

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

y usarlos para atrapar a los electrones en el aparato.

And what we've found is through genetic engineering,

Lo que encontramos es que a través de la ingeniería genética,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

podemos, de hecho, aumentar

la eficiencia de estas celdas solares

to record numbers

hasta números récord

for these types of dye-sensitized systems.

para estos tipos de sistemas de celdas (Grätzel).

And I brought one of those as well,

Traje conmigo también uno de estos

that you can play around with outside afterward.

con el que pueden jugar una vez que termine la sesión.

Esta es una celda solar generada por virus.

So this is a virus-based solar cell.

A través de la evolución y la selección,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

llevamos la celda desde una eficiencia del 8%

hasta una eficiencia de 11%

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Espero haberles convencido

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

de que hay miles de cosas interesantes por aprender

acerca de cómo la naturaleza fabrica materiales --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

y llevarlo un paso más adelante

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

para aprender cómo manejar,

o cómo aprovechar la manera en la que la naturaleza fabrica materiales.

para crear cosas que la naturaleza ni siquiera ha soñado.

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

Thank you.

Gracias.

(Applause)