Angela Belcher: Using nature to grow batteries

מתרגם: Ido Dekkers מבקר: Sigal Tifferet

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

חשבתי לדבר קצת על איך הטבע יוצר חומרים.

I brought along with me an abalone shell.

הבאתי איתי קונכיית אבלוני.

קונכיית האבלוני היא חומר אורגני מרוכב

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

ש98 אחוז ממסתו היא סידן פחמתי

and two percent by mass protein.

ושני אחוז חלבון.

ועדיין, הוא קשיח פי 3000

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

מהקרוב הגאולוגי שלו.

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

והרבה אנשים יכולים להשתמש במבנים כמו קונכיות אבלוני,

לדוגמה גיר.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

תמיד הוקסמתי מהדרך בה הטבע מייצר חומרים,

ויש הרבה מסתורין

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

באיך הוא עושה כאלה עבודות מעודנות.

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

חלק מזה זה העובדה שהחומרים האלה

בעלי מבנה מקרוסקופי,

אבל הם נוצרים בקנה מידה ננומטרי.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

הם נוצרים בקנה מידה ננומטרי,

and they use proteins that are coded by the genetic level

והם משתמשים בחלבונים שמקודדים ברמה הגנטית

שמאפשרים להם לבנות את הצורות המעודנות האלה.

that allow them to build these really exquisite structures.

אז משהו שאני חושבת שממש מרתק

So something I think is very fascinating is:

זה מה אם תוכלו לתת חיים

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

למבנים דוממים,

like batteries and like solar cells?

כמו סוללות וכמו תאים סולאריים?

What if they had some of the same capabilities

מה אם היו להם את אותן יכולות

שיש לקונכיית האבלוני יש,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

מבחינת היכולת

לבנות מבנים עדינים

at room temperature and room pressure,

בטמפרטורת החדר ולחץ אטמוספרי רגיל,

using nontoxic chemicals

על ידי שימוש בחומרים לא רעילים

and adding no toxic materials back into the environment?

ובלי הוספה של חומרים רעילים לסביבה?

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

אז זה החזון שחשבתי עליו.

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

אז מה אם תוכלו לגדל סוללות בצלחת פטרי?

או, מה אם תוכלו להעביר מידע גנטי לסוללה

Or what if you could give genetic information to a battery

כך שהיא תוכל להשתפר

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

במשך הזמן,

ולעשות זאת בדרך ידידותית לסביבה?

in an environmentally friendly way?

וכך, בחזרה לקונכיית האבלוני,

And so, going back to this abalone shell,

מלבד מהמבנה הננומטרי שלה,

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

דבר נוסף שמרתק,

when a male and female abalone get together,

הוא שכשזכר ונקבה נפגשים,

they pass on the genetic information that says,

הם מעבירים את המידע הגנטי

שאומר, "זו הדרך לבנות חומר מעודן.

"This is how to build an exquisite material.

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

ככה עושים את זה בטמפרטורת החדר ולחץ רגיל,

על ידי שימוש בחומרים לא רעילים."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

אותו הדבר עם דיאטומים, שמוצגים פה, שהם מבנים זכוכיתיים.

which are glasseous structures.

כל פעם שהדיאטומים משתכפלים,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

הם מעבירים את המידע הגנטי שאומר,

"כך בונים זכוכית באוקיינוס

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

שבנוי ננומטרית בצורה מושלמת.

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

וניתן לעשות את זה אותו דבר, שוב ושוב."

אז מה אם תוכלו לעשות אותו דבר

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

עם תאים סולאריים או סוללות?

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

אני אוהבת להגיד שהחומר הביולוגי האהוב עלי הוא בני בן הארבע.

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

אבל כל מי שהיו לו או מכיר ילדים קטנים,

יודע שהם אורגניזמים מאוד מורכבים.

they're incredibly complex organisms.

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

אז אם תרצו לשכנע אותם

לעשות משהו שהם לא רוצים, זה מאוד קשה.

it's very difficult.

אז כשחושבים על טכנולוגיות עתידיות,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

אנחנו חושבים על שימוש בבקטריות ווירוסים,

אורגניזמים פשוטים.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

האם תוכלו לשכנע אותם לעבוד עם כלים חדשים,

כך שהם יוכלו לבנות מבנה

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

שייהיה לי מועיל?

Also, when we think about future technologies,

וגם, אנחנו חושבים על טכנולוגיות עתידיות.

we start with the beginning of Earth.

אנחנו מתחילים עם הולדת כדור הארץ.

בעיקרון, לקח מיליארדי שנים

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

להגיע לחיים על כדור הארץ.

And very rapidly, they became multi-cellular,

ובמהירות רבה, הם הפכו לרב תאיים,

הם יכלו להשתכפל, הם יכלו להשתמש בפוטוסינטזה

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

כדרך לקבלת מקור אנרגיה.

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

אבל רק לפני 500 מיליון שנה --

במהלך התקופה הקמברית --

during the Cambrian geologic time period --

שאורגניזמים באוקיינוס התחילו לייצר חומרים קשים.

that organisms in the ocean started making hard materials.

לפני כן כולם היו רכים, במבנה אוורירי.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

וזה היה בתקופה הזאת

It was during this time that there was increased calcium,

שהיתה כמות מוגדלת של סידן ברזל

iron and silicon in the environment,

וסיליקון בסביבה.

and organisms learned how to make hard materials.

ואורגניזמים למדו איך לייצר חומרים קשים.

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

וזה מה שאני רוצה להיות מסוגלת לעשות --

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

לשכנע את הביולוגיה

לעבוד עם שאר הטבלה המחזורית.

Now, if you look at biology,

עכשיו אם תסתכלו על הביולוגיה,

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

יש מבנים רבים כמו DNA ונוגדנים

וחלבונים וריבוזומים ששמעתם עליהם

you've heard about,

שכבר מורכבים בקנה מידה ננומטרי.

that are nanostructured --

אז הטבע כבר נותן לנו

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

מבנים ממש מעודנים בקנה מידה ננומטרי.

What if we could harness them

מה אם נוכל לרתום אותם

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

ולשכנע אותם לא להיות נוגדן

שעושה משהו כמו איידס?

אלא נוכל לשכנע אותם

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

לבנות לנו תאים סולאריים?

אז הנה כמה דוגמאות: אלה כמה קונכיות טבעיות.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

הם חומרים ביולוגיים טבעיים.

The abalone shell here.

קונכית האבלוני כאן -- ואם תשברו אותה,

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

תוכלו לראות שהמבנה שלה ננומטרי.

יש דיאטומים שעשויים מסיליקון דו חמצני,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

ויש בקטריות מגנטוטקטיות

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

שיוצרות מגנטים קטנים חד קוטביים לניווט.

What all these have in common

מה שמשותף לכל אלה

is these materials are structured at the nano scale,

זה שהחומרים בנויים בקנה מידה ננומטרי,

ויש להם רצף DNA

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

שמקודד לרצף חלבונים,

that gives them the blueprint

שנותן להם את התוכנית

to be able to build these really wonderful structures.

להיות מסוגלים לבנות את המבנים המופלאים האלה.

Now, going back to the abalone shell,

עכשיו, בחזרה לקונכיית האבלוני,

האבלוני מייצרת את הקונכיה הזאת מפני שיש לה את החלבונים האלה.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

החלבונים האלה טעונים מאוד במטען שלילי.

They can pull calcium out of the environment,

והם יכולים לשאוב סידן מהסביבה,

להניח שכבה של סידן ואז פחמה, סידן ופחמה.

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

יש לו את הסידור הכימי של חומצות אמינו

It has the chemical sequences of amino acids which says,

שאומר, "ככה בונים את המבנה.

"This is how to build the structure.

הנה מבנה הDNA, הנה רצף החלבונים

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

כדי לעשות את זה."

in order to do it."

So an interesting idea is,

אז רעיון מעניין הוא, מה אם תוכלו לקחת כל חומר שתרצו,

what if you could take any material you wanted,

או כל יסוד מהטבלה המחזורית,

or any element on the periodic table,

ותמצאו את רצף הDNA המתאים שלו,

and find its corresponding DNA sequence,

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

ואז לקודד אותו לרצף חלבונים מתאים

כדי לבנות מבנה, אבל לא לבנות קונכיית אבלוני --

but not build an abalone shell --

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

לבנות משהו אחר, באמצעות הטבע,

שלא היתה לו הזדמנות לעבוד איתו עדיין.

אז הנה הטבלה המחזורית.

And so here's the periodic table.

ואני ממש אוהבת את הטבלה המחזורית.

I absolutely love the periodic table.

כל שנה לכיתת הסטודנטים החדשים בMIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

אני עושה טבלה מחזורית שאומרת,

I have a periodic table made that says,

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

"ברוכים הבאים לMIT. עכשיו אתם ביסוד שלכם."

(Laughter)

וכשהופכים אותה, אלה חומצות האמינו

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

with the pH at which they have different charges.

עם רמות החומציות בהן יש להן מטענים שונים.

And so I give this out to thousands of people.

ואני מחלקת את אלה לאלפי אנשים.

And I know it says MIT and this is Caltech,

ואני יודעת שכתוב MIT, ופה זה קלטק,

אבל יש לי כמה מיותרות אם מישהו רוצה אותן.

but I have a couple extra if people want it.

והיה לי הרבה מזל

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

שהנשיא אובמה ביקר במעבדה שלי השנה

בביקור שלו בMIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

וממש רציתי לתת לו טבלה מחזורית.

אז נשארתי ערה בלילה, ודיברתי עם בעלי,

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

"איך אני יכולה לתת לנשיא אובמה טבלה מחזורית?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

מה אם הוא יגיד, 'או, כבר יש לי אחת.'

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

או, 'כבר למדתי אותה בעל פה'?"

(Laughter)

אז הוא בא וביקר במעבדה שלי

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

והסתכל מסביב -- זה היה ביקור נפלא.

And then afterward, I said,

ואחרי זה, אמרתי,

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

"אדוני, אני רוצה לתת לך את הטבלה המחזורית

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

למקרה ותהיה בבעיה ותצטרך לחשב משקל מולקולרי."

(Laughter)

וחשבתי שמשקל מולקולרי נשפע הרבה פחות חנוני

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

ממסה מולרית.

(Laughter)

אז הוא הסתכל עליה,

And he looked at it and said,

ואמר,

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

"תודה רבה. אני אסתכל עליה במחזוריות."

(Laughter)

(צחוק)

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

ומאוחר יותר בהרצאה שהוא נתן על אנרגיה נקיה,

he pulled it out and said,

הוא שלף אותה החוצה ואמר,

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

"ואנשים בMIT, הם מחלקים טבלאות מחזוריות."

אז בעיקרון מה שלא אמרתי לכם

So basically what I didn't tell you

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

זה שבערך לפני 500 מיליון שנה, אורגניזמים התחילו ליצור חומרים,

אבל זה לקח להם 50 מיליון שנה להשתפר בזה.

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

זה לקח להם 50 מיליון שנה

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

ללמוד איך לשכלל את התהליך איך לייצר את קונכית האבלוני.

ווקשה למכור את זה לדוקטורנט.

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

"יש לי פרוייקט מעולה -- 50 מיליון שנה."

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

אז היינו צריכים לפתח שיטה

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

לנסות לעשות את זה מהר יותר.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

אז אנחנו משתמשים בוירוס שהוא לא רעיל

שנקרא M13 בקטריופאג'

שהעבודה שלו היא להדביק בקטריה.

whose job is to infect bacteria.

יש לו מבנה DNA פשוט

Well, it has a simple DNA structure

שאתם יכולים לקחת ולחתוך ולהדביק

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

רצפי DNA נוספים לתוכו.

וכשעושים זאת, זה מאפשר לוירוס

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

ליצר רצפי חלבונים אקראיים.

This is pretty easy biotechnology,

וזו ביוטכנולוגיה פשוטה למדי.

and you could basically do this a billion times.

ובעקרון הייתם יכולים לעשות את זה מיליארד פעמים.

So you can have a billion different viruses

ואז היו לכם מיליארדי וירוסים שונים

שכולם זהים גנטית,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

אבל הם שונים אחד מהשני לפי הקצוות שלהם,

ברצף אחד

on one sequence,

שמקודד לחלבון אחד.

that codes for one protein.

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

עכשיו אם תקחו את כל מיליארדי הוירוסים האלה,

ותוכלו לשים אותם בטיפת נוזל אחת,

you can force them to interact with anything you want

תוכלו להכריח אותם לעבוד עם כל יסוד שתרצו בטבלה המחזורית.

on the periodic table.

ודרך תהליך של ברירה אבולוציונית,

And through a process of selection evolution,

תוכלו לשלוף אחד מתוך המיליארד שעושה משהו שאתם רוצים שיעשה,

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

כמו לגדל סוללה או לגדל תא סולרי.

like grow a battery or a solar cell.

אז בעיקרון, וירוסים לא יכולים לשכפל את עצמם, הם צריכים מארח.

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

ברגע שאתם מוצאים את האחד מהמיליארד,

Once you find that one out of a billion,

אתם מדביקים בקטריה איתו,

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

ויוצרים מיליונים ומיליארדים של עותקים

of that particular sequence.

של הרצף הספציפי הזה.

The other thing that's beautiful about biology

ואז הדבר הנוסף שנפלא בביולוגיה

is that biology gives you really exquisite structures

זה שביולוגיה נותנת לנו מבנים מעודנים

עם קשקשי קישור יפים.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

והוירוסים האלה הם ארוכים ודקים,

and we can get them to express the ability

ואנחנו יכולים לגרום להם להביע את היכולת

to grow something like semiconductors

לגדל משהו כמו מוליכים למחצה

or materials for batteries.

או חומרים לסוללות.

עכשיו זו סוללה חזקה שגדלנו במעבדה.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

הינדסנו וירוס לאסוף ננו-צינוריות מפחמן.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

אז חלק אחד מהוירוס אוסף ננו-צינוריות מפחמן.

the other part of the virus has a sequence

לחלק האחר של הוירוס יש רצף

שיכול לגדל חומרי אלקטרודה לסוללה.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

ואז הוא מחווט את עצמו לבקר הזרם.

And so through a process of selection evolution,

אז דרך תהליך של ברירה אבולוציונית,

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

עברנו מוירוס שיצר סוללה עלובה

לוירוס שמייצר סוללה טובה

to a virus that made a good battery

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

לוירוס שמייצר סוללה שוברת שיאים עם כוח גדול

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

וכל זה נעשה בטמפרטורת החדר, בעקרון על שולחן העבודה.

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

והסוללה הזו נסעה לבית הלבן למסיבת עיתונאים.

הבאתי אותה לפה.

and I brought it here.

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

אתם יכולים לראות אותה במארז הזה -- היא מפעילה את הLED הזה.

Now if we could scale this,

עכשיו אם נוכל להגדיל אותה,

you could actually use it to run your Prius,

תוכלו להשתמש בה בעצם

להניע את הפריוס (טויוטה) שלכם.

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

שזה החלום שלי -- לנהוג במכונית מונעת וירוסים.

(Laughter)

אבל זה בעיקרון --

But basically you can pull one out of a billion,

אתם יכולים להוציא אחת ממיליארד.

and make lots of amplifications to it.

אתם יכולים לעשות לה הרבה תיגבורים.

Basically, you make an amplification in the lab,

בעיקרון, אתם יכולים לעשות את התיגבורים במעבדה.

ואז אתם גורמים להם להרכיב את עצמם עצמאית

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

למבנה כמו סוללה.

We're able to do this also with catalysis.

אנחנו מסוגלים לעשות את זה גם עם מאיצים.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

זו דוגמה

להפרדת מים עם פוטו-מאיץ.

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

ומה שהיינו מסוגלים לעשות

הוא להנדס וירוס בעיקרון לקחת מולקולות סופגות צבע

to basically take dye-absorbing molecules

ולסדר אותן על פני הוירוס

and line them up on the surface of the virus

כך שהוא יכול לשמש כאנטנה,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

ואתם מקבלים העברת אנרגיה על פני הוירוס.

ואז אנחנו נותנים לו גן נוסף

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

לגדל חומר לא אורגני

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

שיכול לשמש להפרדת מים

לחמצן ומימן,

that can be used for clean fuels.

שאפשר להשתמש בו ליצור דלקים נקיים.

I brought an example of that with me today.

והבאתי איתו דוגמה היום.

My students promised me it would work.

הסטודנטים שלי הבטיחו לי שזה יעבוד.

These are virus-assembled nanowires.

אלו ננוחוטים מורכבים מוירוסים.

כשמאירים אור עליהם, אתם יכולים לראות אותם מבעבעים.

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

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

במקרה הזה, אתם רואים בועות חמצן יוצאות החוצה.

(Applause)

ובעיקרון על ידי שליטה בגנים,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

אתם יכולים לשלוט במגוון חומרים כדי לשפר את ביצועי המכשיר.

הדוגמה האחרונה היא תאים סולאריים.

The last example are solar cells.

אתם יכולים לעשות את זה גם עם תאים סולאריים.

You can also do this with solar cells.

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

הצלחנו להנדס וירוסים

להרים ננו-צינוריות פחמן

and then grow titanium dioxide around them,

ואז לגדל תחמוצת טיטניום מסביבן --

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

ולהשתמש בזה כדי להעביר אלקטרונים דרך המכשיר.

And what we've found is through genetic engineering,

ומה שמצאנו הוא, שדרך הנדסה גנטית,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

אנחנו בעצם יכולים להגביר

את הנצילות של התאים הסולאריים האלה

to record numbers

למספרים שוברי שיאים

for these types of dye-sensitized systems.

לסוג זה של מערכות סינטוז-דיו.

And I brought one of those as well,

והבאתי גם אחד מאלה

that you can play around with outside afterward.

שאתם יכולים לשחק איתו בחוץ אחר כך.

אז זה תא סולארי מבוסס וירוסים.

So this is a virus-based solar cell.

דרך אבולוציה וברירה,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

הבאנו את התא הסולארי מנצילות של שמונה אחוזים

לנצילות של 11 אחוזים.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

אז אני מקווה ששכנעתי אתכם

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

שיש הרבה דברים מעניינים וגדולים ללמוד

על איך הטבע יוצר חומרים --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

ולקחת את זה לשלב הבא

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

כדי לראות אם אפשר להכריח,

או לנצל את הצורה בה הטבע יוצר חומרים,

כדי ליצור דברים שהטבע עדיין לא חלם עליהם.

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

Thank you.

תודה רבה.

(Applause)