Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Kääntäjä: Ulla Vainio Oikolukija: Sami Andberg

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

Ajattelin puhua siitä, miten luonto tekee materiaaleja.

I brought along with me an abalone shell.

Toin mukanani punamerikorvan kuoren.

Se on biokomposiittimateriaali,

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

joka on 98 prosenttia massaltaan kalsiumkarbonaattia

and two percent by mass protein.

ja kaksi prosenttia proteiinia.

Silti se on 3000 kertaa sitkeämpi

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

kuin sen geologinen vastine.

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

Monet ihmiset saattavat käyttää vastaavia rakenteita,

kuten kalkkikiveä.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Minua kiehtoo luonnon tapa

tehdä niin erinomaisia materiaaleja,

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

ja siihen liittyvät salaisuudet.

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

Osa sitä on, että nämä materiaalit

ovat rakenteeltaan makroskooppisia,

mutta ne ovat

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

muodostuneet nanomittakaavassa,

and they use proteins that are coded by the genetic level

ja ne käyttävät proteiineja, jotka on koodattu geneettisesti,

mikä mahdollistaa näiden erinomaisten rakenteiden rakentamisen.

that allow them to build these really exquisite structures.

Joten mielestäni olisi kiehtovaa,

So something I think is very fascinating is:

jos voitaisiin puhaltaa elämää

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

elottomiin rakenteisiin,

like batteries and like solar cells?

kuten akkuihin tai aurinkokennoihin.

What if they had some of the same capabilities

Mitä jos niillä olisi joitain samoja

ominaisuuksia kuin punamerikorvan kuorella,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

pystyen niiden puitteissa

rakentamaan erinomaisia rakenteita

at room temperature and room pressure,

huoneen lämpötilassa ja paineessa,

using nontoxic chemicals

käyttäen myrkyttömiä kemikaaleja

and adding no toxic materials back into the environment?

ja päästämättä myrkyllisiä materiaaleja takaisin ympäristöön?

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

Sitä visiota olen pohtinut.

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

Mitä jos voisi kasvattaa akun?

Mitä jos akulle voisi antaa geneettistä informaatiota

Or what if you could give genetic information to a battery

siten, että siitä tulisi parempi

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

ajan mittaan,

ja se kävisi ympäristöystävällisesti?

in an environmentally friendly way?

Palatakseni punamerikorvan kuoreen,

And so, going back to this abalone shell,

sen lisäksi, että se on nanorakenteinen,

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

on kiehtovaa,

when a male and female abalone get together,

että uros- ja naaraspunamerikorvan kohdatessa,

they pass on the genetic information that says,

ne välittävät eteenpäin geneettistä tietoa,

joka sanoo: "Näin rakennat erinomaisen materiaalin."

"This is how to build an exquisite material.

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

"Näin teet sen huoneen lämpötilassa ja paineessa"

"käyttäen myrkyttömiä materiaaleja."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Samoin piilevät, jotka näkyvät tässä, ja jotka ovat lasisia rakenteita.

which are glasseous structures.

Aina kun piilevä monistaa itsensä,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

se antaa geneettistä informaatiota:

"Näin rakennat meressä lasia,"

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

"joka on täydellinen nanorakenne."

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

"Ja voit tehdä saman uudelleen ja uudelleen."

Mitä jos saman voisi tehdä

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

aurinkokennolle tai akulle?

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

Kerron mielelläni, että biomateriaaleista lempparini on neljävuotias lapseni.

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

Mutta kaikki, joilla on joskus ollut tai tuntee pieniä lapsia,

tietää miten monimutkaisia organismeja he ovat.

they're incredibly complex organisms.

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

Jos haluaa saada heidät tekemään jotain,

mitä he eivät halua tehdä, se on hyvin vaikeaa.

it's very difficult.

Miettiessämme tulevaisuuden teknologioita,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

aiomme käyttää bakteereja ja viruksia --

yksinkertaisia organismeja.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Voiko ne suostutella töihin meille,

rakentamaan rakenne,

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

joka on minulle tärkeä?

Also, when we think about future technologies,

Mietimme myös tulevaisuuden teknologioita.

we start with the beginning of Earth.

Aloitamme Maapallon alusta.

Kesti miljardi vuotta

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

saada elämää Maapallolle.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Hyvin nopeasti se muuttui monisoluiseksi,

se pystyi toisintamaan itseään ja pystyi

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

yhteyttämään tuottaakseen energiaa.

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

Mutta vasta 500 miljoonaa vuotta sitten --

kambrikaudella --

during the Cambrian geologic time period --

organismit meressä alkoivat tehdä kovia materiaaleja.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Sitä ennen rakenteet olivat pehmeitä.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Sinä aikana

It was during this time that there was increased calcium,

kalsiumina, rautaa ja piitä

iron and silicon in the environment,

oli ympäristössä enemmän.

and organisms learned how to make hard materials.

Ja organismit oppivat tekemään kovia materiaaleja.

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

Niin minäkin haluaisin tehdä --

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

vakuuttaa biologian

työskentelemään loppujenkin alkuaineiden kanssa.

Now, if you look at biology,

Jos ajatellaan biologiaa,

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

on monia rakenteita kuten DNA ja vasta-aineita

ja proteiineja ja ribosomeja, joista olette kuulleet,

you've heard about,

jotka ovat jo nanorakenteita.

that are nanostructured --

Luonto siis antaa jo meille

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

todella verrattomia rakenteita nanomittakaavassa.

What if we could harness them

Mitä jos voisimme valjastaa ne

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

ja vakuuttaa ne olemasta vasta-aineita,

jotka tekevät sellaista kuin HIV?

Mitä jos voisimme vakuuttaa ne

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

rakentamaan meille aurinkokennon?

Nämä ovat luonnollisia kuoria --

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

biologisia materiaaleja.

The abalone shell here.

Tämän punamerikorvan kuori -- jos sen halkaisee,

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

näkee, että se on itse asiassa nanorakenteinen.

Nämä piilevät ovat piidioksidia, ja

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

nuo ovat magneettikentille herkkiä bakteereja,

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

jotka vamistavat pieniä magneetteja navigoidakseen.

What all these have in common

Näille kaikille yhteistä on se,

is these materials are structured at the nano scale,

että niillä on rakenne nanomittakaavassa,

ja niillä on DNA-sekvenssi,

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

joka koodaa proteiinisekvenssin,

that gives them the blueprint

joka antaa niille ohjeet

to be able to build these really wonderful structures.

näiden ihanien rakenteiden rakentamiseen.

Now, going back to the abalone shell,

Palatakseni punamerikorvan kuoreen,

punamerikorva tekee kuoren näillä proteiineilla.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Nämä proteiinit ovat negatiivisesti varautuneita.

They can pull calcium out of the environment,

Ne vetävät kalsiumia ympäristöstään,

tekevät kerroksen kalsiumia ja sitten karbonaattia, kalsiumia ja karbonaattia.

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

Sillä on kemiallinen aminohapposekvenssi,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

joka sanoo: "Näin rakennat sen rakenteen."

"This is how to build the structure.

"Tässä on DNA-sekvenssi, tässä proteiinisekvenssi"

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

"sen tekemiseen."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Jos voisi ottaa minkä tahansa haluamansa materiaalin

what if you could take any material you wanted,

tai minkä tahansa alkuaineen jaksollisesta järjestelmästä

or any element on the periodic table,

ja löytäisi vastaavan DNA-sekvenssin

and find its corresponding DNA sequence,

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

ja koodaisi sen vastaavan proteiinisekvenssin

rakentamaan rakenteen, ei punamerikorvan kuorta --

but not build an abalone shell --

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

vaan jotain, jota luonto

ei vielä ole saanut aikaan.

Tässä jaksollinen järjestelmä.

And so here's the periodic table.

Rakastan jaksollista järjestelmää.

I absolutely love the periodic table.

Joka vuosi annan uusille opiskelijoille MIT:ssä

Every year for the incoming freshman class at MIT,

jaksollisen järjestelmän, jossa lukee:

I have a periodic table made that says,

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

"Tervetuloa MIT:hin. Nyt olet elementissäsi."

(Laughter)

Kääntöpuolella ovat aminohapot

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

with the pH at which they have different charges.

pH-arvoineen, missä niillä on eri varaukset.

And so I give this out to thousands of people.

Joten annan tämän tuhansille ihmisille.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Vaikka tämä on Caltech eikä MIT,

minulla on muutama mukana, mikäli joku haluaa sellaisen.

but I have a couple extra if people want it.

Olin hyvin onnekas

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

saadessani vastaanottaa presidentti Obaman vierailun

labrassani tänä vuonna,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

ja halusin antaa hänelle jaksollisen järjestelmän.

Joten valvoessani yöllä, kysyin mieheltäni:

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

"Miten annan presidentti Obamalle jaksollisen järjestelmän?"

"How do I give President Obama a periodic table?

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

"Mitä jos hän sanoo: 'Minulla on jo sellainen',"

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

"tai 'Muistan sen ulkoa'?"

(Laughter)

Joten hän tuli labraani

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

ja katseli ympärilleen -- se oli hieno vierailu.

And then afterward, I said,

Sen jälkeen sanoin:

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

"Sir, haluan antaa teille jaksollisen järjestelmän"

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

"siltä varalta, että teidän tarvitsee laskea molekyylipaino."

(Laughter)

Arvelin, että molekyylipaino kuulostaa vähemmän nörtiltä

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

kuin moolimassa.

(Laughter)

Joten hän katsoi sitä

And he looked at it and said,

ja sanoi:

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

"Kiitos. Aion katsoa sitä jaksollisesti."

(Laughter)

(Naurua)

(Applause)

(Aplodeja)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Myöhemmin pitäessään luentoa puhtaasta energiasta

he pulled it out and said,

hän otti sen esille ja sanoi:

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

"Ihmiset MIT:ssä antavat jaksollisia järjestelmiä."

En kertonut teille,

So basically what I didn't tell you

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

että 500 miljoonaa vuotta sitten, organismit alkoivat tehdä materiaaleja,

mutta niiltä meni 50 miljoonaa vuotta kehittyä hyviksi siinä.

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

Niiltä kesti 50 miljoonaa vuotta

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

kehittyä täydellisiksi punamerikorvan kuoren tekemisessä.

Sitä on hankala myydä tohtoriopiskelijalle.

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

"Minulla on tämä hieno projekti -- 50 miljoonaa vuotta."

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

Joten meidän piti keksiä tapa

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

tehdä se nopeammin.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Joten käytämme vaaratonta virusta

nimeltä M13 bakteerifaagi,

jonka tehtävä on infektoida bakteereja.

whose job is to infect bacteria.

Sillä on yksinkertainen DNA-rakenne,

Well, it has a simple DNA structure

josta voi leikata ja johon voi liittää

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

DNA-sekvenssejä.

Sillä tavoin virus voi

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

ilmaista satunnaisia proteiinisekvenssejä.

This is pretty easy biotechnology,

Tämä on melko helppoa bioteknologiaa.

and you could basically do this a billion times.

Tämän voi tehdä oleellisesti miljardi kertaa.

So you can have a billion different viruses

Joten voi saada miljardi eri virusta,

jotka ovat geneettisesti identtisiä,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

mutta ne eroavat yhden sekvenssin

kärkien verran,

on one sequence,

ja se koodaa yhden proteiinin.

that codes for one protein.

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

Jos ottaa miljardi virusta

ja laittaa ne yhdeen nestepisaraan,

you can force them to interact with anything you want

ne voi pakottaa vuorovaikuttamaan minkä tahansa alkuaineen kanssa.

on the periodic table.

Evoluution valitsemana

And through a process of selection evolution,

yksi noista miljardista tekee sen, mitä sen halutaan tekevän,

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

kuten kasvattavan akun tai aurinkokennon.

like grow a battery or a solar cell.

Virukset eivät voi monistaa itseään, ne tarvitsevat isännän.

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

Kun löytää sen yhden miljardista,

Once you find that one out of a billion,

sillä infektoidaan bakteeri,

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

ja tehdään miljoonia ja miljardeja kopioita

of that particular sequence.

siitä tietystä sekvenssistä.

The other thing that's beautiful about biology

Toinen asia, mikä on kaunista biologiassa,

is that biology gives you really exquisite structures

on se, että biologia antaa hienoja rakenteita,

mukavissa mittakaavoissa.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Nämä virukset ovat pitkiä ja kapeita,

and we can get them to express the ability

saamme ne ilmentämään kykyä

to grow something like semiconductors

kasvattaa jotain, kuten puolijohteita

or materials for batteries.

tai materiaaleja akkuihin.

Tämä on tehokas akku, jonka kasvatimme labrassani.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Teimme viruksen, joka poimii hiilinanoputkia.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Yksi osa viruksesta ottaa hiilinanoputken.

the other part of the virus has a sequence

Toisessa osassa virusta on sekvenssi,

joka kasvattaa materiaalia elektrodiksi akulle.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Sitten se yhdistää itsensä virtakollektorille.

And so through a process of selection evolution,

Valitsevan evoluution avulla

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

me edistyimme viruksesta, joka teki kehnon akun,

virukseen, joka teki hyvän akun,

to a virus that made a good battery

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

virukseen, joka teki ennätykset rikkovan todella tehokkaan akun,

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

joka on tehty täysin huoneen lämpötilassa, periaatteessa työpöydällä.

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

Se akku meni Valkoiseen taloon lehdistökonferenssiin.

Toin sen tänne.

and I brought it here.

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

Näette sen tässä -- se antaa virtaa tälle ledille.

Now if we could scale this,

Jos voimme tehdä tätä isommassa mittakaavassa,

you could actually use it to run your Prius,

sitä voisi käyttää

[Toyota] Priuksessa --

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

unelmani on ajaa autoa virusvoimalla.

(Laughter)

Mutta oleellisesti --

But basically you can pull one out of a billion,

voi vetää ulos yhden miljardista.

and make lots of amplifications to it.

Sitä voi vahvistaa.

Basically, you make an amplification in the lab,

Laboratoriossa sitä vahvistetaan.

Sitten se saadaan itsejärjestäytymään

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

rakenteeksi -- kuten akuksi.

We're able to do this also with catalysis.

Voimme tehdä tämän myös katalyysillä.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Tässä on esimerkki

fotokatalyyttisestä veden hajottamisesta.

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

Olemme onnistuneet

tekemään viruksen, ja ottaa väriaineita absorboivia molekyylejä,

to basically take dye-absorbing molecules

jotka järjestäytyvät viruksen pinnalle

and line them up on the surface of the virus

toimien antennina,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

ja saadaan energian siirto viruksen läpi.

Sitten sille annetaan toinen geeni

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

rakentamaan epäorgaanista materiaalia,

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

jota voidaan käyttää veden hajottamiseen

hapeksi ja vedyksi,

that can be used for clean fuels.

joita voidaan käyttää puhtaina polttoaineina.

I brought an example of that with me today.

Toin mukanani esimerkin.

My students promised me it would work.

Opiskelijani lupasivat, että tämä toimisi.

These are virus-assembled nanowires.

Nämä ovat viruksen järjestämiä nanokaapeleita.

Kun sen valaisee, se kuplii.

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

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

Tässä tapauksessa näette happikuplien tulevan ulos.

(Applause)

Oleellisesti geenejä kontrolloiden

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

voi kontrolloida monia materiaaleja parantaakseen laitteiden suoritustasoa.

Viimeinen esimerkki ovat aurinkokennot.

The last example are solar cells.

Tämän voi tehdä myös aurinkokennoilla.

You can also do this with solar cells.

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

Olemme onnistuneet tekemään viruksia,

jotka ottavat hiilinanoputkia

and then grow titanium dioxide around them,

ja kasvattavat titaanidioksidia niiden ympärille --

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

ja siten elektronit pääsevät laitteen läpi.

And what we've found is through genetic engineering,

Löysimme, että geneettisellä muokkauksella

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

voimme itse asiassa lisätä

näiden aurinkokennojen tehokkuuksia

to record numbers

ennätyslukemiin

for these types of dye-sensitized systems.

tämän tyyppisille väriainepohjaisille systeemeille.

And I brought one of those as well,

Toin myös yhden noista,

that you can play around with outside afterward.

ja voitte leikkiä sillä myöhemmin --

tämä on viruspohjainen aurinkokenno.

So this is a virus-based solar cell.

Evoluution ja valinnan kautta

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

saimme kahdeksan prosentin tehoisesta aurinkokennosta

11 prosentin tehoisen aurinkokennon.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Toivoakseni olen vakuuttanut teidät siitä,

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

että on paljon hienoja, mielenkiintoisia asioita opittavana

luonnon tavoista tehdä materiaaleja --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

ja viedä sen seuraavalle tasolle

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

nähdäkseen voiko sitä pakottaa,

tai jotenkin hyödyntää luontoa

tekemään asioita, joista se ei vielä unelmoinut.

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

Thank you.

Kiitos.

(Applause)