Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Angela Belcher : Utiliser la nature pour faire pousser des batteries

Traducteur: Elisabeth Buffard Relecteur: Karine AUBRY

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

J'ai pensé vous parler un peu de la façon dont la nature crée des matériaux.

I brought along with me an abalone shell.

J'ai apporté avec moi une coquille d'ormeau.

Cette coquille d'ormeau est un matériau biocomposite

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

c'est 98 % en masse de carbonate de calcium

and two percent by mass protein.

et 2% en masse de protéines.

Pourtant, elle est 3 000 fois plus résistante

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

que son homologue géologique.

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

Et beaucoup de gens peuvent utiliser des structures comme les coquilles d'ormeau,

comme de la craie.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Je suis fascinée par la façon dont la nature crée des matériaux,

et il y a beaucoup de séquence

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

dans la façon dont ils font un travail délicat.

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

C'est en partie parce que ces matériaux

ont des structures macroscopiques,

mais ils sont formés à l'échelle nanométrique.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Ils sont formés à l'échelle nanométrique,

and they use proteins that are coded by the genetic level

et ils utilisent des protéines qui sont codées au niveau génétique

qui leur permettent de construire ces structures vraiment délicates.

that allow them to build these really exquisite structures.

Donc, je pense que c'est vraiment fascinant

So something I think is very fascinating is:

de se demander si on pourrait donner vie

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

à des structures inertes,

like batteries and like solar cells?

comme les piles et comme les cellules photovoltaïques.

What if they had some of the same capabilities

Et si elles avaient quelques-unes des capacités

d'une coquille d'ormeau,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

en termes de capacité

à construire des structures vraiment délicates

at room temperature and room pressure,

à température et pression ambiantes,

using nontoxic chemicals

en utilisant des produits chimiques non-toxiques

and adding no toxic materials back into the environment?

et en ne rejetant aucune matière toxique dans l'environnement?

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

Voilà donc la vision à laquelle j'ai réfléchi.

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

Et donc si on pouvait faire pousser une batterie dans une boîte de Petri?

Ou, si on pouvait donner des informations génétiques à une batterie

Or what if you could give genetic information to a battery

afin qu'elle puisse effectivement devenir meilleure

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

en fonction du temps,

et le faire d'une manière respectueuse de l'environnement?

in an environmentally friendly way?

Et donc, pour revenir à cette coquille d'ormeau,

And so, going back to this abalone shell,

en plus d'être nano-structurée,

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

une chose fascinante,

when a male and female abalone get together,

c'est quand un mâle et une femelle ormeau se réunissent,

they pass on the genetic information that says,

ils transmettent les informations génétiques

qui disent: "Voilà comment construire un matériau délicat.

"This is how to build an exquisite material.

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

Voici comment le faire à température et pression ambiantes,

en utilisant des matériaux non-toxiques. "

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Même avec des diatomées, qu'on voit ici, qui sont des structures de verre.

which are glasseous structures.

Chaque fois que les diatomées se répliquent,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

elles donnent des informations génétiques qui disent:

"Voici comment construire du verre dans l'océan

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

qui soit parfaitement nano-structuré.

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

Et vous pouvez le refaire, encore et encore. "

Alors, si l'on pouvait faire la même chose

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

avec une cellule phovoltaïque ou une batterie?

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

Je tiens à dire mon biomatériau préféré est mon enfant de quatre ans.

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

Mais quiconque a déjà eu, ou connait, de jeunes enfants

sait qu'ils sont des organismes incroyablement complexes.

they're incredibly complex organisms.

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

Et si vous voulez les convaincre

de faire quelque chose qu'ils ne veulent pas faire, c'est très difficile.

it's very difficult.

Donc, quand on pense aux technologies de l'avenir,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

nous pensons en fait à utiliser des bactéries et des virus,

des organismes simples.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Peut-on les convaincre de travailler avec une nouvelle boîte à outils,

afin qu'ils puissent construire une structure

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

qui sera importante pour moi?

Also, when we think about future technologies,

En outre, nous réfléchissons aux technologies de l'avenir.

we start with the beginning of Earth.

Nous commençons par l'origine de la Terre.

En gros, il a fallu un milliard d'années

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

pour qu'il y ait de la vie sur Terre.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Et très rapidement, les êtres vivants sont devenus multi-cellulaires,

ils ont pu se répliquer, utiliser la photosynthèse

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

comme un moyen de récupérer leur source d'énergie.

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

Mais il y a seulement environ 500 millions d'années -

au cours de la période cambrienne -

during the Cambrian geologic time period --

que les organismes dans l'océan ont commencé à créer des matériaux durs.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Avant cela, c'étaient des structures toutes molles, moelleuses.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Et c'est pendant cette période

It was during this time that there was increased calcium,

qu'il y a eu plus de calcium et de fer

iron and silicon in the environment,

et de silicium dans l'environnement.

and organisms learned how to make hard materials.

Et les organismes ont appris à faire des matériaux durs.

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

Et c'est ce que je voudrais être en mesure de le faire -

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

convaincre la biologie

de travailler avec le reste du tableau périodique.

Now, if you look at biology,

Maintenant, si vous regardez la biologie,

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

il y a de nombreuses structures comme l'ADN et les anticorps

et les protéines et les ribosomes dont vous avez entendu parler

you've heard about,

qui sont déjà nano-structurés.

that are nanostructured --

Donc la nature nous donne déjà

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

des structures vraiment délicates à l'échelle nanométrique.

What if we could harness them

Et si nous pouvions les mettre à profit

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

et les convaincre de ne pas être un anticorps

qui fasse quelque chose comme le VIH?

Mais si on pouvait les convaincre

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

de construire une cellule photovoltaïque pour nous?

Alors voici quelques exemples: ce sont quelques coquilles naturelles.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Il existe des matériaux naturels biologiques.

The abalone shell here.

La coquille d'ormeau ici - et si vous la fracturez,

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

vous pouvez voir le fait que c'est nano-structuré.

Il y a des diatomées fabriquées à partir de SiO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

et ce sont des bactéries magnétotactiques

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

qui font de petits aimants à domaine unique utilisés pour la navigation.

What all these have in common

Ce qu'ils ont tous en commun

is these materials are structured at the nano scale,

c'est que ces matériaux sont structurés à l'échelle nanométrique,

et qu'ils ont une séquence d'ADN

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

qui code une séquence protéique,

that gives them the blueprint

qui leur donne le plan

to be able to build these really wonderful structures.

pour qu'ils puissent construire ces structures vraiment merveilleuses.

Now, going back to the abalone shell,

Maintenant, pour revenir à la coquille d'ormeau,

l'ormeau fait cette coquille grâce à ces protéines.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Ces protéines sont très chargées négativement.

They can pull calcium out of the environment,

Et elles peuvent tirer du calcium de l'environnement,

appliquer une couche de calcium, puis du carbonate, du calcium et du carbonate.

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

Il a les séquences chimiques des acides aminés

It has the chemical sequences of amino acids which says,

qui disent: "C'est comme ça qu'on construit la structure.

"This is how to build the structure.

Voici la séquence d'ADN, voici la séquence de la protéine

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

pour le faire. "

in order to do it."

So an interesting idea is,

Et donc une idée intéressante est, si vous pouviez prendre n'importe quel matériau,

what if you could take any material you wanted,

ou tout autre élément du tableau périodique,

or any element on the periodic table,

et trouver sa séquence d'ADN correspondante,

and find its corresponding DNA sequence,

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

et puis le coder en une séquence de protéine correspondante

pour construire une structure, mais pas une coquille d'ormeau -

but not build an abalone shell --

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

construire quelque chose avec quoi, parmi toute la nature,

il n'a jamais encore eu l'occasion de travailler .

Et voici donc le tableau périodique.

And so here's the periodic table.

Et j'adore vraiment le tableau périodique.

I absolutely love the periodic table.

Chaque année pour la classe de première année entrant au MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

je fais un tableau périodique qui dit:

I have a periodic table made that says,

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

"Bienvenue au MIT. Maintenant vous êtes dans votre élément."

(Laughter)

Et vous le retournez, et c'est les acides aminés

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

with the pH at which they have different charges.

avec le PH auquel ils ont des charges différentes.

And so I give this out to thousands of people.

Et donc je le donne à des milliers de personnes.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Et je sais qu'il y a écrit MIT, et ici c'est Caltech,

mais j'en ai quelques-uns en plus si quelqu'un en veut.

but I have a couple extra if people want it.

Et j'ai vraiment eu de la chance

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

que le président Obama visite mon laboratoire cette année

lors de sa visite au MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

et je voulais vraiment lui donner un tableau périodique.

J'ai donc veillé tard, et j'ai parlé à mon mari,

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

"Comment puis-je donner au président Obama un tableau périodique?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Que faire s'il dit, 'Oh, j'en ai déjà un, '

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

ou, 'je l'ai déjà mémorisé ?"

(Laughter)

Et il est venu visiter mon laboratoire

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

et il a regardé autour de lui - ce fut une excellente visite.

And then afterward, I said,

Et puis après, j'ai dit,

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

"Monsieur, je veux vous donner le tableau périodique

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

pour le jour où vous seriez dans une impasse et devriez calculer un poids moléculaire. "

(Laughter)

Et j'ai pensé que poids moléculaire sonnait beaucoup moins ringard

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

que masse molaire.

(Laughter)

Et il l'a regardé,

And he looked at it and said,

Et il a dit:

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

"Je vous remercie. Je vais le regarder périodiquement."

(Laughter)

(Rires)

(Applause)

(Applaudissements)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Et plus tard dans une conférence qu'il a donnée sur l'énergie propre,

he pulled it out and said,

il l'a sorti et a dit:

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

"Et les gens au MIT, ils donnent des tableaux périodiques".

Donc, en gros, ce que je ne vous ai pas dit

So basically what I didn't tell you

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

c'est qu'il y a près de 500 millions d'années, les organismes ont commencé à fabriquer des matériaux,

mais il leur a fallu environ 50 millions d'années pour devenir bons.

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

Il leur a fallu environ 50 millions d'années

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

pour apprendre à parfaire la manière de faire cette coquille d'ormeau.

Et c'est difficile à vendre à un étudiant diplômé.

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

"J'ai ce grand projet -. 50 millions d'années"

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

Et nous avons donc dû développer une façon

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

d'essayer de le faire plus rapidement.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Et donc nous utilisons un virus qui est un virus non-toxique

appelé bactériophage M13

dont c'est le travail d'infecter les bactéries.

whose job is to infect bacteria.

Eh bien, il a une structure ADN simple

Well, it has a simple DNA structure

que vous pouvez couper et y coller

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

des séquences d'ADN supplémentaires.

Et ce faisant, il permet au virus

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

d'exprimer des séquences de protéines aléatoires.

This is pretty easy biotechnology,

Et cela est de la biotechnologie assez facile .

and you could basically do this a billion times.

Et vous pourriez le faire en gros un milliard de fois.

So you can have a billion different viruses

Et donc vous pouvez obtenir un milliard de virus différents

qui sont tous génétiquement identiques,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

mais ils diffèrent les uns des autres en fonction de leurs terminaisons,

sur une séquence

on one sequence,

qui code une protéine.

that codes for one protein.

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

Maintenant si vous prenez tous les milliards de virus,

et vous pouvez les mettre dans une goutte de liquide,

you can force them to interact with anything you want

vous pouvez les forcer à interagir avec tout ce que vous voulez sur le tableau périodique.

on the periodic table.

Et à travers un processus d'évolution de sélection,

And through a process of selection evolution,

vous pouvez en tirer un sur un milliard qui fait quelque chose que vous aimeriez qu'il fasse,

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

comme de cultiver une batterie ou développer une cellule photovoltaïque.

like grow a battery or a solar cell.

Donc, en gros, les virus ne peuvent pas se reproduire, ils ont besoin d'un hôte.

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

Une fois que vous trouvez celui sur un milliard,

Once you find that one out of a billion,

vous en infectez une bactérie,

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

et vous faites des millions et des milliards de copies

of that particular sequence.

de cette séquence particulière.

The other thing that's beautiful about biology

Et ce qu'il y a aussi de beau dans la biologie

is that biology gives you really exquisite structures

c'est que la biologie vous donne des structures vraiment délicates

avec de belles échelles de connexion.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Et ces virus sont longs et maigres,

and we can get them to express the ability

et nous pouvons les amener à exprimer la capacité

to grow something like semiconductors

à développer quelque chose comme les semi-conducteurs

or materials for batteries.

ou des matériaux pour les batteries.

Maintenant, voici d'une batterie haute puissance que nous avons développée dans mon laboratoire.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Nous avons conçu un virus pour ramasser des nanotubes de carbone.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Donc, une partie du virus attrape un nanotube de carbone.

the other part of the virus has a sequence

L'autre partie du virus a une séquence

qui peut développer un matériau d'électrode pour une batterie.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Et puis il se connecte lui-même au courant collecteur.

And so through a process of selection evolution,

Et donc à travers un processus d'évolution de sélection,

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

nous sommes passés d'un virus qui créait une batterie minable

à un virus qui fait une bonne batterie

to a virus that made a good battery

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

à un virus qui a fait une batterie de forte puissance qui bat des records

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

le tout, fait à température ambiante, essentiellement sur la paillasse.

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

Et cette batterie est allée à la Maison Blanche pour une conférence de presse.

Je l'ai amenée ici.

and I brought it here.

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

Vous pouvez le voir dans cette boite - elle éclaire ce LED.

Now if we could scale this,

Maintenant, si nous pouvions en augmenter l'échelle,

you could actually use it to run your Prius,

vous pourriez effectivement l'utiliser

pour faire fonctionner votre Prius,

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

ce qui est mon rêve - pouvoir conduire une voiture à propulsion virus.

(Laughter)

Mais il s'agit essentiellement -

But basically you can pull one out of a billion,

vous pouvez tirer un sur un milliard.

and make lots of amplifications to it.

Vous pouvez l'amplifier beaucoup

Basically, you make an amplification in the lab,

En gros, vous faites une amplification dans le laboratoire.

Et puis, vous le faites s'auto-assembler

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

en une structure semblable à une batterie.

We're able to do this also with catalysis.

Nous sommes en mesure de le faire aussi par catalyse.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

C'est l'exemple

du fractionnement photocatalytique de l'eau.

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

Et ce que nous avons pu faire

c'est concevoir un virus pour qu'il prenne des molécules qui absorbent les colorants

to basically take dye-absorbing molecules

et les aligne sur la surface du virus

and line them up on the surface of the virus

pour qu'il agisse comme une antenne,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

et vous obtenez un transfert d'énergie à travers le virus.

Et puis on lui donne un second gène

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

pour développer un matériau inorganique

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

qui puisse être utilisé pour décomposer l'eau

en oxygène et en hydrogène,

that can be used for clean fuels.

qui puisse être utilisé pour des carburants propres.

I brought an example of that with me today.

Et j'en ai apporté avec moi un exemple aujourd'hui.

My students promised me it would work.

Mes étudiants m'ont promis que ça marcherait.

These are virus-assembled nanowires.

Ce sont des nanofils assemblés par des virus.

Lorsque vous les mettez sous la lumière, vous les voyez faire des bulles.

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

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

Dans le cas présent, vous voyez des bulles d'oxygène sortir..

(Applause)

Et dans le fond en contrôlant les gènes,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

vous pouvez contrôler des matériaux multiples pour améliorer les performances de votre appareil.

Le dernier exemple sont des cellules photovoltaïques.

The last example are solar cells.

Vous pouvez aussi le faire avec des cellules photovoltaïques.

You can also do this with solar cells.

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

Nous avons été en mesure de concevoir des virus

pour ramasser des nanotubes de carbone

and then grow titanium dioxide around them,

et ensuite générer du dioxyde de titane autour -

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

et les utiliser pour obtenir des électrons à travers le dispositif.

And what we've found is through genetic engineering,

Et ce que nous avons constaté c'est que, grâce au génie génétique,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

on peut vraiment augmenter

l'efficacité de ces cellules photovoltaïques

to record numbers

pour enregistrer les chiffres

for these types of dye-sensitized systems.

pour ces types de systèmes sensibles aux colorants.

And I brought one of those as well,

Et j'en ai apporté un aussi

that you can play around with outside afterward.

pour que vous puissiez jouer avec à l'extérieur par la suite.

Il s'agit donc d'une cellule photovoltaïque à base de virus.

So this is a virus-based solar cell.

Grâce à l'évolution et la sélection,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

nous l'avons fait passer d'une cellule solaire à 8 % d'efficacité

à une cellule à 11 % d'efficacité.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

J'espère donc que je vous ai convaincus

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

qu'il y a beaucoup de grandes choses intéressantes à apprendre

sur comment la nature crée les matériaux -

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

et en l'amenant à l'étape suivante

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

pour voir si on peut forcer,

ou si on peut profiter de la manière dont la nature crée les matériaux,

pour créer des choses que la nature n'a pas encore rêvé de créer.

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

Thank you.

Merci.

(Applause)