Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Translator: Abdi Christia Reviewer: Amir Sudjono

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

Saya akan berbicara sedikit tentang bagaimana alam membuat material.

I brought along with me an abalone shell.

Saya membawa sebuah cangkang abalon.

Cangkang abalon ini adalah sebuah material biokomposit

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

yang 98 persen massanya kalsium karbonat

and two percent by mass protein.

dan dua persen massanya protein.

Tapi, benda ini 3.000 kali lebih kuat

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

dari material geologis yang ada.

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

Banyak orang bisa menggunakan struktur seperti abalon ini,

untuk kapur misalnya.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Saya terpesona oleh bagaimana alam membuat material,

dan ada banyak urutan

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

bagaimana mereka dapat melakukan pekerjaan serinci itu.

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

Sebagian alasannya adalah karena material ini

secara struktur makroskopik,

tapi mereka dibentuk di skala nano.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Mereka dibentuk di skala nano,

and they use proteins that are coded by the genetic level

dan mereka menggunakan protein yang disandi di tingkat genetik

yang memampukan mereka membangun struktur yang sangat rinci ini.

that allow them to build these really exquisite structures.

Jadi, yang menurut saya sangat menarik

So something I think is very fascinating is:

adalah bagaimana bila Anda dapat memberi kehidupan

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

pada struktur yang tidak hidup,

like batteries and like solar cells?

seperti baterai dan sel surya?

What if they had some of the same capabilities

Bagaimana bila mereka punya kemampuan yang sama

seperti yang dilakukan cangkang abalon itu,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

dalam artian mampu

membangun struktur yang sangat rinci

at room temperature and room pressure,

pada suhu dan tekanan ruangan,

using nontoxic chemicals

menggunakan bahan yang tidak beracun

and adding no toxic materials back into the environment?

dan tidak membuang bahan beracun ke lingkungan?

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

Itulah visi yang selama ini saya pikirkan.

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

Jadi bagaimana bila Anda bisa menumbuhkan baterai dalam cawan petri?

Atau, bagaimana bila Anda dapat memberi informasi genetik pada sebuah baterai

Or what if you could give genetic information to a battery

sehingga baterai itu dapat berfungsi lebih baik

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

seiring berjalannya waktu,

dan melakukannya dengan cara yang ramah lingkungan?

in an environmentally friendly way?

Lalu, kembali ke cangkang abalon ini,

And so, going back to this abalone shell,

selain strukturnya yang nano,

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

satu hal yang mempesona,

when a male and female abalone get together,

adalah ketika abalon jantan dan betina kawin,

they pass on the genetic information that says,

mereka mewariskan informasi genetik

yang mengatakan, "Begini caranya membangun material yang rinci.

"This is how to build an exquisite material.

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

Begini cara melakukannya pada suhu dan tekanan ruangan,

menggunakan material tidak beracun."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Sama dengan diatom, yang ditunjukkan di sini, strukturnya seperti gelas.

which are glasseous structures.

Setiap kali diatom membelah,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

mereka memberi informasi genetik yang berkata,

"Begini cara membuat gelas di dalam laut

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

yang berstruktur nano secara sempurna.

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

Dan kamu dapat melakukan hal yang sama, terus menerus."

Jadi bagaimana bila Anda dapat melakukan hal yang sama

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

pada sebuah sel surya atau baterai?

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

Biomaterial favorit saya adalah anak saya yang berumur empat tahun.

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

Siapapun yang pernah memiliki, atau mengenal, anak kecil

tahu bahwa mereka adalah organisme yang sangat kompleks.

they're incredibly complex organisms.

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

Bila Anda ingin meyakinkan mereka

untuk melakukan sesuatu yang tidak mereka inginkan, akan sangat sulit.

it's very difficult.

Jadi ketika berpikir tentang teknologi masa depan,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

kita berpikir menggunakan bakteri dan virus,

makhluk hidup yang sederhana.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Dapatkah Anda meyakinkan mereka untuk bekerja dengan peralatan baru,

sehingga mereka bisa membangun sebuah struktur

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

yang akan jadi hal yang penting bagi saya?

Also, when we think about future technologies,

Lebih lagi, kita berpikir tentang teknologi masa depan.

we start with the beginning of Earth.

Kita mulai dengan awal dari Bumi.

Pada dasarnya, butuh milyaran tahun

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

sehingga kehidupan muncul di Bumi.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Dan dengan sangat cepat, kehidupan menjadi bersel banyak,

dapat menggandakan diri, dapat berfotosintesis

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

sebagai cara mendapatkan sumber energi.

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

Tapi baru setelah 500 juta tahun yang lalu --

pada periode waktu geologis Kambrian --

during the Cambrian geologic time period --

makhluk hidup di samudra mulai membuat material yang keras.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Sebelumnya mereka semua mahkluk yang berstruktur lunak.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Pada masa itulah

It was during this time that there was increased calcium,

ada peningkatan kalsium dan besi

iron and silicon in the environment,

dan silikon di lingkungan mereka.

and organisms learned how to make hard materials.

Makhluk hidup belajar bagaimana membuat material keras.

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

Saya ingin bisa melakukan hal itu --

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

meyakinkan biologi

untuk bekerja dengan unsur lainnya di tabel periodik.

Now, if you look at biology,

Sekarang bila Anda lihat biologi,

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

ada banyak struktur seperti DNA dan antibodi

dan protein dan ribosom yang sudah Anda dengar

you've heard about,

dan mereka sudah berstruktur nano.

that are nanostructured --

Jadi alam sudah memberi kita

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

struktur yang benar-benar rinci dengan skala nano.

What if we could harness them

Bagaimana bila kita dapat memanfaatkan mereka

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

dan meyakinkan mereka untuk tidak menjadi antibodi

yang berakibat seperti HIV?

Tapi bagaimana bila kita dapat meyakinkan mereka

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

untuk membangun sebuah sel surya untuk kita?

Ini beberapa contohnya: ini adalah beberapa cangkang alami.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Ini adalah material biologis alami.

The abalone shell here.

Cangkang abalon di sini -- bila Anda memecahkannya,

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

Anda dapat melihat bukti bahwa strukturnya nano.

Ada diatom yang terdiri dari SiO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

dan ada bakteria magnetotatis

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

yang membuat magnet tunggal kecil yang digunakan untuk navigasi.

What all these have in common

Kesamaan contoh-contoh ini

is these materials are structured at the nano scale,

adalah bahwa material itu disusun pada skala nano,

dan mereka punya sekuen DNA

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

yang menyandi sebuah sekuen protein,

that gives them the blueprint

yang memberi mereka cetak biru

to be able to build these really wonderful structures.

untuk dapat membangun struktur yang sungguh mengagumkan ini.

Now, going back to the abalone shell,

Sekarang, kembali ke cangkang abalon,

abalon membuat cangkang ini dengan protein-protein ini.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Protein ini bermuatan sangat negatif.

They can pull calcium out of the environment,

Mereka dapat menarik kalsium dari lingkungan,

menyusun lapisan kalsium lalu karbonat, kalsium dan karbonat.

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

Ada sekuen kimia asam-asam amino

It has the chemical sequences of amino acids which says,

yang berkata, "Begini cara membangun strukturnya.

"This is how to build the structure.

Ini sekuen DNA-nya, ini sekuen proteinnya

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

untuk melakukan pekerjaan itu."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Bagaimana bila Anda dapat mengambil material yang Anda inginkan,

what if you could take any material you wanted,

atau unsur apapun dalam tabel periodik,

or any element on the periodic table,

dan menemukan sekuen DNA yang cocok dengan itu,

and find its corresponding DNA sequence,

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

lalu menyandinya untuk sekuen protein yang cocok

untuk membangun sebuah struktur, tapi bukan cangkang abalon --

but not build an abalone shell --

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

membangun sesuatu yang, di alam,

belum pernah dibuat di alam.

Ini adalah tabel periodiknya.

And so here's the periodic table.

Saya sungguh suka tabel periodik ini.

I absolutely love the periodic table.

Setiap tahun untuk mahasiswa baru di MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

saya membuat tabel periodik yang bertuliskan,

I have a periodic table made that says,

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

"Selamat datang di MIT. Sekarang Anda berada dalam unsur Anda."

(Laughter)

Silakan Anda balik, di sana ada asam-asam amino

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

with the pH at which they have different charges.

dengan pH di mana mereka punya muatan berbeda.

And so I give this out to thousands of people.

Saya memberikan ini pada ribuan orang.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Saya tahu ada tulisan MIT, dan ini Caltech,

tapi saya punya kelebihan bila Anda mau.

but I have a couple extra if people want it.

Saya sungguh beruntung

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

dikunjungi Presiden Obama di lab saya tahun ini,

pada kunjungannya ke MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

saya sungguh ingin memberinya sebuah tabel periodik.

Saya tak bisa tidur, dan saya bicara pada suami saya,

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

"Bagaimana cara saya memberi tabel periodik pada Presiden Obama?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Bagaimana bila dia bilang, 'Oh, saya sudah punya satu,'

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

atau, 'Saya sudah menghafalnya'?"

(Laughter)

Lalu dia berkunjung ke lab saya

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

dan melihat-lihat -- itu kunjungan yang baik.

And then afterward, I said,

Lalu kemudian saya berkata,

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

"Pak, saya ingin memberi Anda tabel periodik

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

untuk jaga-jaga bila suatu saat Anda butuh menghitung berat molekul."

(Laughter)

Saya pikir berat molekul terdengar jauh lebih tidak aneh

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

daripada massa molar.

(Laughter)

Lalu dia melihat tabel itu,

And he looked at it and said,

dan dia berkata,

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

"Terima kasih. Saya akan melihatnya secara periodik."

(Laughter)

(Tawa)

(Applause)

(Tepuk tangan)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Kemudian pada ceramahnya tentang energi bersih,

he pulled it out and said,

dia mengeluarkannya dan berkata,

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

"Orang-orang di MIT membagi-bagikan tabel periodik."

Pada dasarnya yang belum saya katakan adalah

So basically what I didn't tell you

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

bahwa sekitar 500 juta tahun lalu, makhluk hidup mulai membuat material,

tapi mereka butuh sekitar 50 juta tahun untuk jadi mahir.

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

Mereka butuh waktu sekitar 50 juta tahun

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

untuk belajar menyempurnakan cara membuat cangkang abalon itu.

Itu bukan hal yang menarik bagi murid pascasarjana.

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

"Saya punya proyek besar -- 50 juta tahun."

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

Maka kami harus mengembangkan cara

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

untuk mencoba melakukan hal ini lebih cepat.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Maka kami menggunakan virus yang tidak beracun

yang disebut bakteriofag M13

yang kerjanya menginfeksi bakteria.

whose job is to infect bacteria.

Dia punya sebuah struktur DNA yang sederhana

Well, it has a simple DNA structure

sehingga Anda dapat masuk, memotong, dan merekatkan

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

sekuen DNA tambahan di dalamnya.

Dengan melakukan hal itu, virus itu dapat

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

mengekspresikan sekuen protein yang acak.

This is pretty easy biotechnology,

Ini bioteknologi yang cukup mudah.

and you could basically do this a billion times.

Pada dasarnya Anda dapat melakukannya milyaran kali.

So you can have a billion different viruses

Anda dapat bekerja dan memiliki semilyar virus yang berbeda

yang identik secara genetis,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

tapi satu sama lain berbeda pada satu hal,

pada satu sekuen

on one sequence,

yang menyandi satu protein.

that codes for one protein.

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

Bila Anda ambil semua milyaran virus itu,

dan Anda dapat menaruhnya dalam satu tetes cairan,

you can force them to interact with anything you want

Anda dapat memaksa mereka berinteraksi dengan apapun yang Anda inginkan di tabel periodik.

on the periodic table.

Dan melalui sebuah proses seleksi evolusi,

And through a process of selection evolution,

Anda dapat mengambil satu dari satu milyar itu yang melakukan sesuatu yang Anda inginkan,

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

seperti menumbuhkan sebuah baterai atau sel surya.

like grow a battery or a solar cell.

Pada dasarnya virus tak dapat menggandakan diri sendiri, mereka butuh inang.

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

Saat Anda menemukan satu dari semilyar itu,

Once you find that one out of a billion,

Anda infeksikan virus itu ke bakteri,

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

dan Anda buat berjuta-juta kopi salinan

of that particular sequence.

dari sekuen tertentu itu.

The other thing that's beautiful about biology

Hal lain yang menarik tentang biologi

is that biology gives you really exquisite structures

adalah bahwa biologi memberi Anda struktur yang sungguh rinci

dengan sambungan sisik yang bagus.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Virus-virus ini panjang dan kurus,

and we can get them to express the ability

dan kita dapat menggunakan mereka mengekspresikan kemampuan

to grow something like semiconductors

untuk menumbuhkan sesuatu seperti semikonduktor

or materials for batteries.

atau material untuk baterai.

Ini adalah baterai bertenaga besar yang kami tumbuhkan di lab saya.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Kami merekayasa sebuah virus untuk mengambil tabung karbon nano.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Satu bagian virus mengambil tabung karbon nano.

the other part of the virus has a sequence

Bagian virus lainnya punya sekuen

yang dapat menumbuhkan material elektroda untuk sebuah baterai.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Lalu virus itu menyambungkan dirinya sendiri ke pengumpul arus.

And so through a process of selection evolution,

Melalui sebuah proses seleksi evolusi,

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

kami maju dari punya sebuah virus yang menghasilkan baterai yang rapuh

ke virus yang menghasilkan baterai yang bagus

to a virus that made a good battery

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

ke virus yang menghasilkan baterai yang bertenaga besar dan memecahkan rekor

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

semua itu dibuat di suhu ruangan, di atas meja.

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

Baterai itu dibawa ke Gedung Putih untuk konferensi pers.

Saya membawanya ke sini.

and I brought it here.

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

Anda dapat melihatnya ada di dalam wadah ini -- menyalakan LED ini.

Now if we could scale this,

Bila kita dapat memperbesar skalanya,

you could actually use it to run your Prius,

Anda dapat menggunakannya

untuk menjalankan mobil Prius Anda,

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

itu mimpi saya -- dapat mengendarai mobil bertenaga virus.

(Laughter)

Tapi pada dasarnya --

But basically you can pull one out of a billion,

Anda dapat ambil satu dari satu juta.

and make lots of amplifications to it.

Anda dapat memperbanyaknya berulang kali.

Basically, you make an amplification in the lab,

Anda melakukan amplifikasi di lab.

Lalu Anda membuatnya menyusun dirinya sendiri

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

menjadi struktur seperti baterai.

We're able to do this also with catalysis.

Kami juga mampu melakukan hal yang sama dengan katalisis.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Ini contohnya

fotokatalisis membelah molekul air.

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

Apa yang sudah dapat kami lakukan

adalah merekayasa virus untuk mengambil molekul penyerap warna

to basically take dye-absorbing molecules

dan menatanya di permukaan virus itu

and line them up on the surface of the virus

sehingga molekul tersebut berperan sebagai antena,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

dan terjadi transfer energi melalui virus itu.

Lalu kami memberinya gen kedua

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

untuk menumbuhkan material inorganik

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

yang dapat digunakan untuk membelah air

menjadi oksigen dan hidrogen,

that can be used for clean fuels.

yang dapat digunakan untuk bahan bakar yang bersih.

I brought an example of that with me today.

Saya bawa contohnya bersama saya hari ini.

My students promised me it would work.

Mahasiswa saya berjanji ini akan bekerja.

These are virus-assembled nanowires.

Ini adalah kawat nano yang disusun dari virus.

Ketika Anda menyinarinya, Anda dapat melihat mereka bergelembung.

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

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

Dalam hal ini Anda sedang melihat gelembung oksigen keluar.

(Applause)

Pada dasarnya dengan mengendalikan gen,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

Anda dapat mengatur beberapa material yang dapat meningkatkan kinerja piranti Anda.

Contoh terakhir adalah sel surya.

The last example are solar cells.

Anda juga dapat melakukan hal ini pada sel surya.

You can also do this with solar cells.

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

Kami telah mampu merekayasa virus

untuk mengambil tabung karbon nano

and then grow titanium dioxide around them,

dan lalu menumbuhkan titanium dioksida di sekitar mereka --

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

yang digunakan untuk menyalurkan elektron melalui piranti itu.

And what we've found is through genetic engineering,

Apa yang kami temukan adalah melalui rekayasa genetik,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

kita dapat benar-benar meningkatkan

efisiensi sel-sel surya ini

to record numbers

sampai ke angka rekor

for these types of dye-sensitized systems.

untuk sistem yang disensitisasi pewarna semacam ini.

And I brought one of those as well,

Saya juga bawa satu contohnya

that you can play around with outside afterward.

jadi Anda bisa bermain dengannya di luar nanti.

Jadi ini adalah sel surya berbasis virus.

So this is a virus-based solar cell.

Melalui evolusi dan seleksi,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

kami mengembangkannya dari sel surya berefisiensi 8%

ke sel surya berefisiensi 11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Saya harap saya telah meyakinkan Anda

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

bahwa ada banyak hal yang besar dan menarik untuk dipelajari

tentang bagaimana alam membuat material --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

dan membawanya ke tingkat lebih lanjut

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

untuk mengetahui apakah Anda dapat memaksa,

atau Anda dapat mengambil keuntungan dari bagaimana alam membuat material,

untuk membuat hal yang belum pernah dibuat di alam.

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

Thank you.

Terima kasih.

(Applause)