Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Traduttore: Virginia Claudio Revisore: Els De Keyser

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

Ho pensato di parlarvi un po' di come la natura produca i materiali.

I brought along with me an abalone shell.

Ho portato con me un abalone (haliotis, orecchia di mare).

Questo abalone è un materiale biocomposto

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

costituito al 98 per cento della massa da carbonato di calcio

and two percent by mass protein.

e al due per cento da proteine.

Eppure, è 3000 volte più duro

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

del suo equivalente geologico.

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

E molte persone usano strutture simili all'abalone,

tipo il gesso.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Sono rimasta affascinata da come la natura produca materiali,

e sono molti i segreti

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

dietro un lavoro fatto così bene.

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

In parte il motivo è che questi materiali

hanno una struttura macroscopica,

ma vengono formati su scala nanometrica.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Sono formati su scala nanometrica,

and they use proteins that are coded by the genetic level

e usano le proteine che sono codificate al livello genetico

e che permettono di costruire queste strutture davvero raffinate.

that allow them to build these really exquisite structures.

Quindi ciò che penso sia molto affascinante

So something I think is very fascinating is:

è che cosa ne pensate se si potesse dar vita

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

a strutture inanimate

like batteries and like solar cells?

come le batterie o le celle solari?

What if they had some of the same capabilities

E se avessero alcune delle capacità

che ha l'abalone,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

per quanto riguarda l'essere in grado

di costruire strutture davvero raffinate

at room temperature and room pressure,

a temperatura ambiente e pressione ambiente,

using nontoxic chemicals

usando composti chimici non tossici

and adding no toxic materials back into the environment?

e senza immettere materiali tossici nell'ambiente?

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

Allora, è questa l'idea su cui ho continuato a riflettere.

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

E se si potesse far crescere una batteria in una capsula di Petri?

O se si potesse dare dell'informazione genetica ad una batteria

Or what if you could give genetic information to a battery

cosicché potrebbe addirittura migliorare

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

nel tempo,

e fare ciò in modo sostenibile per l'ambiente?

in an environmentally friendly way?

E quindi, tornando all'abalone,

And so, going back to this abalone shell,

oltre ad essere nano-strutturato,

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

una cosa che è affascinante,

when a male and female abalone get together,

è che quando un maschio ed una femmina di abalone di uniscono,

they pass on the genetic information that says,

inoltrano l'informazione genetica

che dice "Ecco come si costruisce un materiale squisito.

"This is how to build an exquisite material.

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

Ecco come farlo a temperature e pressione ambiente,

senza usare materiali tossici."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Lo stesso per le diatomee, mostrate qui, che sono strutture vetrose.

which are glasseous structures.

Ogni volta che le diatomee si replicano,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

danno l'informazione genetica, la quale dice

"Ecco come si costruisce il vetro nell'oceano

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

un vetro che è perfettamente nano-strutturato.

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

E lo si può fare identico ogni volta ripetutamente."

E se potessimo fare la stessa cosa

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

per una cella solare o una batteria?

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

Mi piace dirla così, che il mio biomateriale preferito è mio figlio di 4 anni.

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

Ma chiunque abbia mai avuto, o conosca, dei bambini piccoli

sa che sono degli organismi incredibilmente complessi.

they're incredibly complex organisms.

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

E quindi se volete convincerli

a fare qualcosa che non vogliono fare, è difficilissimo.

it's very difficult.

Quindi quando immaginiamo le tecnologie del futuro,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

pensiamo davvero di usare batteri e virus,

organismi semplici.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Riuscite a convincerli a lavorare con una nuova cassetta degli attrezzi,

cosicché possano costruire una struttura

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

che sia utile a me?

Also, when we think about future technologies,

E poi, pensiamo alle tecnologie del futuro.

we start with the beginning of Earth.

Ma cominciamo dall'inizio, dai primordi della Terra.

Praticamente, c'è voluto un miliardo di anni

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

per avere la vita sulla Terra.

And very rapidly, they became multi-cellular,

E molto rapidamente, gli organismi diventarono multi-cellulari,

impararono a replicarsi, a fare la fotosintesi

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

come mezzo di approvvigionamento energetico.

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

Ma non fu prima di 500 milioni di anni fa --

durante il periodo geologico Cambriano --

during the Cambrian geologic time period --

che gli organismi degli oceani cominciarono a produrre materiali duri.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Prima di allora erano tutte strutture molli e soffici.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

E fu durante questo periodo

It was during this time that there was increased calcium,

che la concentrazione nell'ambiente

iron and silicon in the environment,

di calcio, ferro e silicio aumentarono.

and organisms learned how to make hard materials.

E gli organismi impararono a produrre materiali duri.

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

E quindi è questo quello che vorrei riuscire a fare --

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

convincere la biologia

a lavorare con il resto della tavola periodica.

Now, if you look at biology,

Ora se date un'occhiata alla biologia,

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

ci sono tante strutture come il DNA e gli anticorpi

e le proteine e i ribosomi di cui avete sentito parlare

you've heard about,

e che sono delle nano-strutture.

that are nanostructured --

Quindi la natura ci dà già

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

delle strutture davvero raffinate a livello nanoscopico.

What if we could harness them

E se riuscissimo a sfruttarle

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

e a convincerle non di essere un anticorpo

che fa qualcosa come per l'HIV?

Ma piuttosto se le potessimo convincere

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

a costruire per noi una cella solare?

Ecco qui alcuni esempi: queste sono conchiglie naturali.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Ci sono materiali biologici naturali.

The abalone shell here.

Qui l'abalone -- e se lo si rompe,

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

si può notare il fatto che è nano-strutturato.

Ci sono diatomee fatte di SiO2 (ossido di silicio),

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

e sono dei batteri magnetotattici

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

che creano piccoli magneti a singolo dominio e li usano per navigare.

What all these have in common

Ciò che tutti questi hanno in comune

is these materials are structured at the nano scale,

è che questi materiali sono strutturati su scala nanometrica,

ed hanno una sequenza di DNA

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

che codifica una sequenza proteica,

that gives them the blueprint

che rappresenta il disegno tecnico, il progetto,

to be able to build these really wonderful structures.

con le indicazioni per costruire queste strutture favolose.

Now, going back to the abalone shell,

Ora, tornando all'abalone,

l'abalone costruisce la conchiglia grazie a queste proteine.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Queste proteine sono fortemente cariche negativamente.

They can pull calcium out of the environment,

E possono estrarre il calcio dall'ambiente,

fare uno strato di calcio e poi di carbonato, e poi calcio e carbonato ancora.

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

Ha la sequenza chimica degli amminoacidi

It has the chemical sequences of amino acids which says,

che dice: "Ecco come costruire la struttura.

"This is how to build the structure.

Ecco la sequenza di DNA, la sequenza proteica

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

che ti dice come fare."

in order to do it."

So an interesting idea is,

E quindi è interessante l'idea per cui si vorrebbe scegliere un qualsiasi materiale,

what if you could take any material you wanted,

o un elemento qualsiasi della tavola periodica,

or any element on the periodic table,

e poter trovare la corrispondente sequenza di DNA,

and find its corresponding DNA sequence,

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

quindi codificarla per la sequenza proteica corrispondente

per quindi costruire una struttura che non sia la conchiglia dell'abalone --

but not build an abalone shell --

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

ma qualcosa su cui la natura

non ha ancora mai avuto l'opportunità di lavorarci su.

E allora ecco la tavola periodica degli elementi.

And so here's the periodic table.

E io amo da matti la tavola periodica.

I absolutely love the periodic table.

Ogni anno, per gli studenti entranti al MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

faccio fare una tabella periodica che dice

I have a periodic table made that says,

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

"Benvenuto al MIT. Ora sei nel tuo elemento."

(Laughter)

E se la giri, ci sono gli amminoacidi

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

with the pH at which they have different charges.

con il pH a cui hanno cariche diverse.

And so I give this out to thousands of people.

Quindi, la distribuii a migliaia di persone.

And I know it says MIT and this is Caltech,

E lo so che dice MIT, e qui siamo a Caltech,

ma ne ho alcune in più se qualcuno le vuole.

but I have a couple extra if people want it.

E sono stata davvero fortunata quest'anno

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

di ricevere il Presidente Obama

durante la sua visita al MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

e volevo proprio dargli una di queste tavole periodiche.

E così sono rimasta sveglia la notte prima, e ho chiesto a mio marito

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

"Come faccio a dare la tavola periodica al Presidente Obama?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

E se dicesse, 'Ah, ne ho già una'

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

oppure 'La so già a memoria'?"

(Laughter)

Insomma, è venuto a visitare il mio laboratorio

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

ed è stata proprio una bella visita.

And then afterward, I said,

E dopo, gli ho detto

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

"Signor Presidente, vorrei donarle la tavola periodica,

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

se mai lei dovesse calcolare il peso molecolare in una situazione difficile".

(Laughter)

E pensai che peso molecolare sembrava molto meno da secchioni

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

che non massa molare.

(Laughter)

E lui l'ha guardata,

And he looked at it and said,

e ha detto

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

"Grazie. Ci darò un'occhiata periodicamente."

(Laughter)

(Risate)

(Applause)

(Applausi)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

E in una lezione sulle energie pulite che fece successivamente,

he pulled it out and said,

la tirò fuori e disse

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

"E quelli del MIT, distribuiscono tavole periodiche."

Beh, quindi quello che non vi ho detto

So basically what I didn't tell you

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

è che circa 500 milioni di anni fa, gli organismi cominciarono a produrre materiali,

ma ci vollero circa 50 milioni di anni affinché diventassero bravi in ciò.

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

Ci vollero circa 50 milioni di anni

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

affinché imparassero come perfezionarsi nel fare l'abalone.

E questo fatto non viene visto di buon occhio da uno studente di dottorato.

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

"Ho un progetto fantastico -- 50 milioni di anni."

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

Quindi abbiamo dovuto sviluppare una maniera

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

per provare a far ciò più rapidamente.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Quindi usiamo un virus, un virus non nocivo

che si chiama batteriofago M13

il cui compito è quello di infettare i batteri.

whose job is to infect bacteria.

Bene, ha una struttura del DNA semplice

Well, it has a simple DNA structure

che si può manipolare con l'aggiunta

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

di altre sequenze di DNA.

E facendo ciò, si dice al virus

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

di esprimere sequenze proteiche a caso.

This is pretty easy biotechnology,

Tutto ciò e' biotecnologia di base.

and you could basically do this a billion times.

E si può far ciò praticamente miliardi di volte.

So you can have a billion different viruses

Quindi si possono avere un milione di virus diversi

che sono geneticamente identici,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

ma hanno di diverso un pezzetto,

una sequenza

on one sequence,

che codifica una proteina.

that codes for one protein.

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

Ora se si prende questo milione di virus,

e lo si mette in una goccia di liquido,

you can force them to interact with anything you want

li si può forzare ad interagire con qualsivoglia elemento della tavola periodica.

on the periodic table.

E attraverso un processo di evoluzione selettiva,

And through a process of selection evolution,

si può estrarre dal mucchio quello che fa quella cosa specifica che si desidera,

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

come crescere un batterio, o una cella solare.

like grow a battery or a solar cell.

Praticamente, i virus non possono replicarsi da soli, hanno bisogno di un ospite.

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

Una volta trovato quell'uno su un milione,

Once you find that one out of a billion,

lo si inocula in un batterio,

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

e se ne fanno milioni e miliardi di copie

of that particular sequence.

di quella particolare sequenza.

The other thing that's beautiful about biology

L'altra cosa bella della biologia

is that biology gives you really exquisite structures

è che la biologia ci dà davvero strutture eccezionali

con buone relazioni tra grandezze diverse.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

E questi virus sono lunghi e sottili,

and we can get them to express the ability

e possiamo far sì che esprimano la capacità

to grow something like semiconductors

di crescere in modo che somiglino ai semiconduttori

or materials for batteries.

o ai materiali per le batterie.

Ora questa è una batteria ad alta potenza che abbiamo fatto crescere nel mio laboratorio.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Abbiamo progettato un virus che usa i nanotubi di carbonio.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Quindi una parte del virus afferra il nanotubo di carbonio.

the other part of the virus has a sequence

L'altra parte del virus ha una sequenza

che può far crescere un materiale che funge da elettrodo per la batteria.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

E poi crea le connessioni elettriche con il collettore di corrente.

And so through a process of selection evolution,

E quindi, tramite un processo di evoluzione selettiva,

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

siamo passati dall'avere un virus che costruiva una batteria scadente

ad un virus che faveca una buona batteria

to a virus that made a good battery

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

ad un virus che faceva una batteria ad alta potenza da record,

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

tutto ciò fatto a temperatura ambiente, praticamente sul banco da lavoro.

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

E quella batteria è andata alla Casa Bianca per una conferenza stampa.

L'ho portata qui.

and I brought it here.

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

In questo caso potete vedere che fa accendere un LED.

Now if we could scale this,

Ora, se potessimo fare lo stesso su scala,

you could actually use it to run your Prius,

si potrebbe usare

per far alimentare la vostra Prius,

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

che è il mio sogno -- poter guidare un auto alimentata da virus.

(Laughter)

Ma praticamente

But basically you can pull one out of a billion,

se ne può selezionare uno su un milione.

and make lots of amplifications to it.

Se può amplificare per molte volte.

Basically, you make an amplification in the lab,

Praticamente, si può amplificare in laboratorio.

E poi si può fare in modo che si auto-assembli

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

per formare una struttura come una batteria.

We're able to do this also with catalysis.

Riusciamo a far ciò anche con la catalisi.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Ecco un esempio

di scissione fotocatalitica dell'acqua.

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

E siamo riusciti a progettare

un virus che praticamente prende delle molecole che assorbono dei cromofori

to basically take dye-absorbing molecules

e le allinea sulla superficie del virus

and line them up on the surface of the virus

così che funziona da antenna,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

e si ottiene un trasferimento di energia lungo il virus.

Successivamente possiamo dargli un secondo gene

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

per fra crescere un materiale inorganico

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

che può essere utilizzato per la scissione dell'acqua

in ossigeno e idrogeno,

that can be used for clean fuels.

che si può usare come carburante pulito.

I brought an example of that with me today.

E oggi ho portato con me un esempio.

My students promised me it would work.

I miei studenti mi hanno giurato che funziona.

These are virus-assembled nanowires.

Questi sono dei fili nanometrici assemblati tramite virus.

Quando li si espone alla luce, si possono vedere delle bollicine.

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

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

In questo caso, state vedendo fuoriuscire delle bollicine di ossigeno.

(Applause)

E praticamente controllando i geni,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

si possono controllare molteplici materiali per migliorare le prestazioni del dispositivo.

L'ultimo esempio sono le celle solari.

The last example are solar cells.

Si può fare lo stesso con le celle solari.

You can also do this with solar cells.

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

Siamo stati in grado di progettare dei virus

che prendono i nanotubi di carbonio

and then grow titanium dioxide around them,

e poi ci fanno crescere dell'ossidio di titanio intorno --

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

e usarlo per ottenere elettroni attraverso il dispositivo.

And what we've found is through genetic engineering,

E abbiamo scoperto che, attraverso l'ingegneria genetica,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

possiamo davvero aumentare

l'efficienza di queste celle solari

to record numbers

fino a valori record

for these types of dye-sensitized systems.

per questo tipo di sistemi a pigmenti fotosensibili.

And I brought one of those as well,

E ho portato anche uno di questi

that you can play around with outside afterward.

con cui dopo ci potete sperimentare all'aperto.

Quindi questa è una cella solare fatta con i virus.

So this is a virus-based solar cell.

Attraverso l'evoluzione e la selezione,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

siamo passati da una cella solare con efficienza dell'8%

ad una con efficienza dell'11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Quindi spero di avervi convinto

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

che si sono un sacco di cose fantastiche ed interessanti da imparare

su come la natura faccia i materiali --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

e portando il discorso al livello successivo --

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

per vedere se si può forzare,

o se si può sfruttare il modo in cui la natura fa i materiali,

per fare cose che la natura non ha ancora pensato di fare.

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

Thank you.

Grazie.

(Applause)