Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Fordító: Zoltan Lengyel Lektor: Anna Patai

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

Gondoltam egy kicsit arról beszélnék, hogyan csinál anyagokat a természet.

I brought along with me an abalone shell.

Magammal hoztam egy tengeri csiga házát.

Ez a csigaház egy biokompozit anyag

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

tömegének 98 százaléka kalcium karbonát

and two percent by mass protein.

és két százaléka fehérje.

Mégis, 3000-szer erősebb

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

mint a geológiai megfelelője.

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

Sok ember használ csigaház-szerű szerkezeteket,

mint a kréta.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Lenyűgözött, hogyan állítja elő a természet ezeket az anyagokat,

és számtalan titok van akörül,

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

hogyan végzi el e tökéletes munkákat.

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

Egyrészről ezek az anyagok

felépítésükben makroszkópikusak,

de nanoszinten képződnek.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Nanoszinten képződnek,

and they use proteins that are coded by the genetic level

és genetikailag kódolt fehérjéket használnak,

hogy megépítsék ezeket a tökéletes struktúrákat.

that allow them to build these really exquisite structures.

Ezért számomra lenyűgöző a gondolat,

So something I think is very fascinating is:

hogy mi lenne, ha életet tudnánk adni

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

nem élő dolgoknak,

like batteries and like solar cells?

mint pl. akkumulátoroknak és napelemeknek?

What if they had some of the same capabilities

Mi lenne, ha rendelkeznének olyan tulajdonságokkal,

mint a csigaház is,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

abban az értelemben,

hogy tökéletes dolgokat építenek,

at room temperature and room pressure,

szobahőmérsékleten és normál nyomáson,

using nontoxic chemicals

nem mérgező anyagokból,

and adding no toxic materials back into the environment?

és nem mérgező anyagokat juttatva vissza a környezetükbe?

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

Ez hát a látomás amin gondolkodtam.

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

Mi lenne, ha tudnánk elemeket növeszteni petri csészében?

Vagy, mi lenne, ha genetikai információt

Or what if you could give genetic information to a battery

adhatnánk az elemeknek,

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

hogy időbeli hatékonyságuk megnőjön

és ez környezetbarát módon történjen?

in an environmentally friendly way?

És visszatérve a csigaházakra,

And so, going back to this abalone shell,

amellett, hogy nano-struktúráltak,

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

lenyűgöző az is, hogy

when a male and female abalone get together,

mikor egy hím és egy nőstény csiga összejönnek,

they pass on the genetic information that says,

továbbadják a genetikai információt,

ami azt mondja "Így kell tökéletes anyagot építeni

"This is how to build an exquisite material.

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

szobahőmérsékleten és nyomáson,

nem mérgező anyagokból."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Ugyanígy a kovamoszatok is, amelyek páncéljai üvegszerű szerkezetek.

which are glasseous structures.

Valahányszor a kovamoszatok osztódnak,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

átadják a genetikai információt, ami azt mondja,

"Így kell üveget építeni az óceánban,

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

amely nano-szinten tökéletesen struktúrált.

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

És ezt megteheted újra és újra."

Mi lenne hát, ha mi is megtehetnénk ugyanezt

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

napelemekkel vagy akkumulátorokkal?

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

Szoktam mondani, hogy a kedvenc bio-anyagom a négy éves gyermekem.

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

Bárki, akinek van, vagy ismer kisgyermekeket

tudja, hogy hihetetlenül komplex organizmusok.

they're incredibly complex organisms.

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

Ezért meggyőzni őket, hogy csináljanak valamit

amit nem akarnak, nagyon bonyolult.

it's very difficult.

Tehát ha a jövő technológiáiról gondolkodunk,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

akkor baktériumokra és vírusokra gondolunk,

egyszerű szervezetekre.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Rá tudjuk venni őket, hogy dolgozzanak egy új szerszámkészlettel,

hogy létrehozhassanak egy szerkezetet,

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

amely számomra fontos lesz?

Also, when we think about future technologies,

Ugyanígy, amikor a jövő technológiáiról gondolkodunk,

we start with the beginning of Earth.

a Föld keletkezésénél kell kezdenünk.

Nagyjából egymilliárd évig tartott,

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

amíg élőlények jelentek meg a Földön.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Ezután azonban elég gyorsan soksejtűvé váltak,

tudtak szaporodni, képessé váltak a fotoszintézisre,

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

hogy energiát gyűjtsenek.

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

De csak nagyjából 500 millió évvel ezelőtt --

a Kambrium időszak során --

during the Cambrian geologic time period --

kezdtek el kemény agyagokat előállítani.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Azelőtt mind puha, képlékeny lények voltak.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

És ezalatt az idő alatt éppen

It was during this time that there was increased calcium,

növekedett a kalcium, a vas

iron and silicon in the environment,

és a szilícium mennyisége a környezetben.

and organisms learned how to make hard materials.

És az élőlények megtanultak kemény anyagokat előállítani.

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

És ez az, amire én képessé szeretnék válni --

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

meggyőzni a biológiát

hogy dolgozzon a periódusos rendszer többi részével.

Now, if you look at biology,

Ha megnézitek a biológiát,

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

sok olyan szerkezet van mint a DNS és az antitestek,

a fehérjék és a riboszómák, melyekről tudhatod,

you've heard about,

hogy már nano-struktúráltak.

that are nanostructured --

Így a természet már adott nekünk

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

tökéletes nano-méretű struktúrákat.

What if we could harness them

Mi lenne, ha munkára fognánk őket

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

és meggyőznénk, hogy ne antitestek legyenek

ami olyasmit csinál mint a HIV?

Hanem rávennénk őket, hogy

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

napelemet építsenek nekünk?

Itt van néhány példa: ezek természetes házak.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Természetes biológiai anyagok.

The abalone shell here.

Itt a csigahéj - és ha eltöröd,

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

láthatod, hogy nano-struktúrált.

Ezek kovavázak szilicium-dioxidból,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

ezek magnetotaktikus baktériumok

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

amik kis, egydoménes mágneseket használnak tájékozódásra.

What all these have in common

És ami ezekben közös az az,

is these materials are structured at the nano scale,

hogy ezek az anyagok nano-léptékben készülnek,

s e lényeknek van egy DNS szakaszuk,

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

ami egy fehérjeláncot kódol,

that gives them the blueprint

s ez számukra egy tervrajz arra nézve, hogy

to be able to build these really wonderful structures.

hogyan építsék fel ezeket a csodálatos struktúrákat.

Now, going back to the abalone shell,

Visszatérve most a csigaházakhoz,

a csiga a házát ezekkel a fehérjékkel építi.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Ezek a fehérjék erősen negatív töltésűek,

They can pull calcium out of the environment,

és meg tudják kötni a kalciumot a környezetből,

lerakva egy réteg kalciumot, aztán karbonátot, majd megint kalciumot és karbonátot.

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

Megvan az a kémiai aminosav-sorrend,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

amely azt mondja: "Így építed fel a szerkezetet!

"This is how to build the structure.

Itt a DNS kód és a fehérje szerkezet, hogy

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

meg tudd ezt tenni"

in order to do it."

So an interesting idea is,

Ezért érdekes az ötlet, hogy mi van, ha fogod az anyagot amit szeretnél,

what if you could take any material you wanted,

vagy a periódusos rendszer egy elemét,

or any element on the periodic table,

megkeresed a megfelelő DNS szakaszt,

and find its corresponding DNA sequence,

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

lefordítod aminosav-sorrendre, hogy kapj egy fehérjét,

amely felépíti a szerkezetet. De ne csigaházat --

but not build an abalone shell --

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

hanem valamit, amivel a természetben

még nem volt alkalma dolgozni.

Itt a periódusos rendszer.

And so here's the periodic table.

Én imádom a periódusos rendszert.

I absolutely love the periodic table.

Az MIT-n minden évben csináltatok a gólyáknak

Every year for the incoming freshman class at MIT,

egy periódusos rendszert amin az áll

I have a periodic table made that says,

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

"Üdvözlünk az MIT-n. Most már elemedben vagy."

(Laughter)

És ha megfordítod, ott vannak az aminosavak

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

with the pH at which they have different charges.

és a pH-értékek ahol különböző a töltésük.

And so I give this out to thousands of people.

És ezt kiosztjuk emberek ezreinek.

And I know it says MIT and this is Caltech,

És tudom, hogy MIT van rajta, ez pedig a Caltech,

de van nálam pár, ha valaki szeretne.

but I have a couple extra if people want it.

Abban a szerencsében volt részem,

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

hogy Obama elnök úr meglátogatott a laborban

idén az MIT-n.

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

Nagyon szerettem volna neki periódusos rendszert adni.

Fentmaradtam éjszaka a férjemmel és arról beszéltünk,

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

"Hogyan adjam át Obama elnök úrnak a periódusos rendszert?"

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Mi van, ha azt mondja "Ó, már megvan",

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

vagy "Már bemagoltam?"

(Laughter)

Eljött tehát a laborba,

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

és körülnézett - nagyszerű volt.

And then afterward, I said,

Utána azt mondtam:

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

"Uram, szeretnék adni egy periódusos rendszert,

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

hátha egyszer égető szükségét érzi a molekulasúly-számításnak."

(Laughter)

Úgy gondoltam, hogy a molekulasúly sokkal kevésbé kocka,

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

mint a moláris tömeg.

(Laughter)

Ő ránézett,

And he looked at it and said,

és azt mondta,

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

"Köszönöm, majd elemezem."

(Laughter)

(Nevetés)

(Applause)

(Taps)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Később egy előadáson, amit a tiszta energiáról tartott,

he pulled it out and said,

előhúzta, és azt mondta:

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

És a MIT- n azok az emberek periódusos táblázatokat osztogatnak."

Szóval amit nem mondtam még, hogy 500 millió évvel ezelőtt

So basically what I didn't tell you

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

az élőlények elkezdtek szilárd anyagokat gyártani,

de közel 50 millió évükbe telt, hogy jók is legyenek benne.

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

Közel 50 millió évükbe telt,

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

hogy tökéletesítsék, hogyan készítsék el ezt a csigaházat.

Ezt nehéz eladni egy végzős hallgatónak.

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

"Itt ez a nagyszerű projekt -- 50 millió év..."

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

Szóval meg kellett találnunk a módját,

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

hogy gyorsabban boldoguljunk.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Így hát egy vírust használunk, amely nem okoz bajt,

úgy hívják, M13 bakteriofág,

és baktériumokat fertőz.

whose job is to infect bacteria.

Egyszerű DNS-e van,

Well, it has a simple DNA structure

melybe bele tudsz nyúlni: kivághatsz és bele illeszthetsz

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

további DNS-szakaszokat.

Ezáltal a vírus képes lesz véletlenszerű

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

fehérjeláncot produkálni.

This is pretty easy biotechnology,

Ez egy rém egyszerű biotechnológiai játék.

and you could basically do this a billion times.

Ezt egymilliárdszor megismétled.

So you can have a billion different viruses

A végén lesz egymilliárd különböző vírusod,

melyek genetikailag mind egyediek.

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

de egymástól csak egy ponton különböznek:

egy kis szakaszban,

on one sequence,

amely pont egy aminosavat kódol.

that codes for one protein.

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

Most fogod mind az egymilliárd vírusodat,

beleteszed őket egy csepp folyadékba,

you can force them to interact with anything you want

és a periódusos rendszer bármelyik elemével érintkezésbe hozhatod őket.

on the periodic table.

Majd szelekciós fejlesztés útján

And through a process of selection evolution,

kiemelheted azt az egyet, amely olyasmit csinál, ami neked tetszik,

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

pl. zseblámpaelemet vagy napelemet növeszt.

like grow a battery or a solar cell.

A vírusok amúgy nem képesek lemásolni magukat, gazdasejtre van szükségük.

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

Amikor megtaláltad azt az egyet a milliárdból,

Once you find that one out of a billion,

megfertőzöl vele egy baktériumot,

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

s így készítesz kismillió másolatot

of that particular sequence.

abból a bizonyos DNS-szekvenciából.

The other thing that's beautiful about biology

A másik csodás dolog a biológiában,

is that biology gives you really exquisite structures

hogy igazán tökéletes struktúrákat

kínál neked.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Ezek hosszú és kecses vírusok,

and we can get them to express the ability

amiket képessé tehetünk, hogy

to grow something like semiconductors

olyanná fejlődjenek, mint a félvezetők

or materials for batteries.

vagy az elektromos elemek anyagai.

Íme, itt egy nagy teljesítményű elem, amelyet a laboromban növesztettünk.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Terveztünk egy vírust, amely szén nanocsöveket vesz fel.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

A vírus egy része tart egy nanocsövet.

the other part of the virus has a sequence

A másik része rendelkezik egy utasítással,

amely elektródanyagot képes növeszteni egy akkumulátor számára.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

És ezután beköti magát az aktuális kollektorba.

And so through a process of selection evolution,

Szelekciós fejlesztés útján

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

eljutottunk egy vacak akkumulátort gyártó vírustól

egy jó akkumulátort gyártóig,

to a virus that made a good battery

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

majd egy rekord teljesítményűig,

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

mindezt szobahőmérsékleten, nagyjából az asztalon.

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

Elküldtük az akkumulátort a Fehér Házba egy sajtótájékozatóra.

És elhoztam ide is.

and I brought it here.

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

És most láthatjátok, ettől világít ez a LED.

Now if we could scale this,

Ha fel tudnánk nagyítani,

you could actually use it to run your Prius,

akkor használhatnánk

Prius meghajtására is,

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

ami az álmom -- vírussal meghajtott autót vezetni.

(Laughter)

De alapvetően

But basically you can pull one out of a billion,

csak kiemelsz egyet a milliárdból.

and make lots of amplifications to it.

Kiegészítéseket csinálhatsz hozzá a laborban.

Basically, you make an amplification in the lab,

Kiegészítéseket csinálhatsz hozzá a laborban,

és ráveszed, hogy önszerveződjék

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

akkumulátor-szerű struktúrává.

We're able to do this also with catalysis.

Katalizátorral is megcsinálhatjuk ezt.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Például víz

fotokatalitikus bontásához.

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

Sőt, képessé váltunk arra is,

hogy vírusokkal összegyűjtsünk festékkötő molekulákat,

to basically take dye-absorbing molecules

ráhelyezzük ezeket a vírus felszínére,

and line them up on the surface of the virus

és ez úgy működik, mint egy antenna:

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

energiát csapdázhatsz a vírussal.

Majd adunk neki egy másik gént,

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

hogy alkosson olyan szervetlen anyagot,

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

amivel elbonthatja a vizet

oxigénre és hidrogénre,

that can be used for clean fuels.

ami tiszta üzemanyagként használható.

I brought an example of that with me today.

Hoztam egy példát.

My students promised me it would work.

A hallgatóim megígérték, hogy működni fog.

These are virus-assembled nanowires.

Ezek vírus-alkotta nanovezetékek.

Ha megvilágítod, látod, hogy bugyborékol.

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

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

Ez esetben oxigén-buborékokat látsz távozni.

(Applause)

És végülis a géneket irányítva,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

több anyagot irányíthatsz, így fokozva eszközöd teljesítményét.

A következő példa a napelemek.

The last example are solar cells.

Megcsinálhatod mindezt napelemekkel is.

You can also do this with solar cells.

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

Tudunk vírusokat tervezni,

hogy nanocsöveket vegyenek fel

and then grow titanium dioxide around them,

majd titán-dioxidot növesztünk köréjük --

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

s így elektronokat nyerhetünk a készülékből.

And what we've found is through genetic engineering,

Azt találtuk, hogy genetikai tervezéssel

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

rekord nagyságúra növelhetjük

a napelemek teljesítményét

to record numbers

amelyek ezeket a festékkötő

for these types of dye-sensitized systems.

vízbontó rendszereket ellátják.

And I brought one of those as well,

Hoztam egy ilyet is,

that you can play around with outside afterward.

ezzel majd odakint eljátszhattok.

Szóval egy vírus-alapú napelem.

So this is a virus-based solar cell.

Fejlesztéssel és szelekcióval

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

8%-os hatékonyságú napelemből

11%-os hatékonyságút fejlesztettünk.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Remélem hát, hogy meggyőztelek titeket,

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

nagyszerű és érdekes dolgot kell még megtudjunk

arról, hogyan csinálja a természet ezeket az anyagokat --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

és eljutni a következő lépésig,

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

hogy megtudjuk, rávehető-e,

vagy hasznosítható-e ahogyan ezeket az anyagokat a természet elkészíti

hogy olyan dolgokat alkossunk, melyekről a természet

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

Thank you.

még csak nem is álmodott. Köszönöm.

(Applause)