Angela Belcher: Using nature to grow batteries

번역: Bianca Lee 검토: InHyuk Song

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

오늘 저는 자연이 물질을 만드는 방법에 대해 얘기하려합니다.

I brought along with me an abalone shell.

여기 전복 조개를 가져왔습니다.

이 전복은 98%가 탄산칼슘이고

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

2%가 단백질로 이루어진

and two percent by mass protein.

생-혼합물 입니다.

맞아요, 이 전복은 전복이 있던 곳의

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

지질학적 상대보다 3000배나 강하죠.

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

많은 사람들은 전복이나 분필과 같은 구조들을

사용할 지도 모릅니다.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

저는 자연이 어떻게 물질을 만드는 지에 완전히 매료되었습니다

자연이 그런 정교한 일을

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

해내기 위해서는 많은 비밀이 있습니다.

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

그 중 몇가지는 이 물질들이

눈에 보이는 구조이지만,

그것들은 나노크기로 형성된다는 것입니다.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

이 물질들은 나노크기로 형성되고,

and they use proteins that are coded by the genetic level

유전 단계로 암호화된 단백질을 사용하여

굉장히 정교한 구조를 만들게 합니다

that allow them to build these really exquisite structures.

제가 매혹적이라 생각하는 것은

So something I think is very fascinating is:

만약 배터리나 태양 전지 같이

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

살아있지 않은 구조들에

like batteries and like solar cells?

삶을 부여할 수 있다면 어떨까요?

What if they had some of the same capabilities

만약 그것들에도 전복처럼 어떤

같은 능력이 있다면 어떨까요?

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

실온과 대기압에서

정말 정교한 구조를 만드는 것이

at room temperature and room pressure,

가능하다면 말입니다. 무독성 화학물을 사용하고

using nontoxic chemicals

무독성 물질을

and adding no toxic materials back into the environment?

환경에 더함과 동시에 말입니다.

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

이것이 제가 생각해온 비전입니다.

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

페트리 접시에 배터리를 만들 수 있다면 어떨까요?

또는, 만약 유전 정보를 배터리에 주입해

Or what if you could give genetic information to a battery

실제로 시간 함수로써 더 나아질 수 있고

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

친환경적으로

해결할 수 있다면 어떨까요?

in an environmentally friendly way?

전복 조개로 돌아가

And so, going back to this abalone shell,

나노 구조로 된 것 뿐만 아니라

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

매력적인 점은

when a male and female abalone get together,

수컷 전복과 암컷 전복이 함께할 때,

they pass on the genetic information that says,

그들은 이 유전 정보를

이렇게 전달한다는 것이죠. “이것이 정교한 물질을 만드는 방법이다.

"This is how to build an exquisite material.

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

이것이 실온과 대기압에서 하는 방법을 담고 있고

무독성 물질을 사용한다.”

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

이곳에 빛나고 있는, 유리같은 구조를 가진 규조류와 같죠.

which are glasseous structures.

규조류가 복제할 때마다,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

그것은 이렇게 쓰여진 유전 정보를 제공합니다.

“이것이 바다에 완벽히 나노 구조로 된

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

유리를 만드는 방법이다.

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

그리고 이 방법은 계속 할 수 있다.”

만약 태양 전지나 배터리에

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

같은 것을 할 수 있다면 어떨까요?

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

제가 가장 좋아하는 생명체는 저의 4살 배기 자식입니다.

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

아이를 가져본 분, 또는 아시는 분이라면 아시듯

아이들은 믿을 수 없을 정도로 복잡한 생명체들입니다.

they're incredibly complex organisms.

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

그리고 만약 여러분이 아이들을 싫어하는 것을 하도록

납득시키려 한다면, 그것은 굉장히 어려운 일입니다.

it's very difficult.

그러니 우리가 미래 기술에 대해 생각할 때

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

우리는 사실 간단한 생명체들인

박테리아와 바이러스를 생각합니다.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

여러분은 그들을 새로운 도구 상자와 작업하도록 하여

저에게 중요해질 구조물을

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

만들게 할 수 있을까요?

Also, when we think about future technologies,

또, 미래 기술도 생각해 보세요.

we start with the beginning of Earth.

지구의 시작에서 출발해봅시다.

기본적으로, 지구에 생명체가 있기까지

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

10억년이 걸렸습니다.

And very rapidly, they became multi-cellular,

그리고 무척 빠르게, 그것들은 다세포생물이 되고

복제를 할 수도 있고, 에너지 자원을 얻는 방법으로

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

광합성을 할 수도 있게 되었습니다.

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

그러나 5억년 전까진

—캄브리아기 동안이죠— 바다 생물들은

during the Cambrian geologic time period --

단단한 생물들을 만들어내기 시작하지 않았습니다.

that organisms in the ocean started making hard materials.

그 전에는 모두 부드럽고, 솜털이 덮인 구조였죠.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

그 기간 동안 칼슘과 철

It was during this time that there was increased calcium,

그리고 실리콘이 환경에서

iron and silicon in the environment,

늘어나게 되었습니다.

and organisms learned how to make hard materials.

생물들은 이 단단한 물질들을 사용하는 법을 배웠죠.

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

그것이 제가 할 수 있게 하고자 하는 것입니다.

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

생물학이 주기율표의

나머지와 작업하도록 확신시키는 것이죠.

Now, if you look at biology,

이제 생물학을 들여다보면,

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

여러분들이 이미 나노 구조로 되어있다고 들은 적이 있을

DNA나 항체, 단백질같은

you've heard about,

많은 구조물들이 있습니다.

that are nanostructured --

자연은 이미 우리들에게

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

나노크기의 복잡한 구조를 제공한 것이죠.

What if we could harness them

만약 우리가 그것들을 활용해

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

에이즈 바이러스(HIV)같은 것에 대응하는

항체가 되지 않게 만들려면 어떨까요?

만약 우리가 그것들이 우리에게

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

태양 전지를 만들게 하면 어떨까요?

몇가지 예가 있습니다. 이것들은 천연 조개입니다.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

천연의 생물학적 물질이 존재합니다.

The abalone shell here.

여기에 전복 조개—만약 이것을 깬다면

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

이것이 나노 구조로 되어있는 것을 볼 수 있습니다.

여기에 이산화 규소로 만들어진 규조는

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

작고, 방향을 찾는 데 사용되는 단일 도메인으로 된

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

자석을 만드는 주자성(走磁性)의 박테리아입니다.

What all these have in common

이것들의 공통점은 이들이

is these materials are structured at the nano scale,

나노크기로 구조화 되어있고

단백질 서열로 암호화되고

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

굉장히 멋진 구조를 만들게 하는

that gives them the blueprint

청사진을 제공하는

to be able to build these really wonderful structures.

DNA 단계가 있습니다.

Now, going back to the abalone shell,

이제 전복 조개로 돌아가서,

전복은 이러한 단백질을 가짐으로써 이런 껍질을 만듭니다.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

이 단백질은 음전하로 되어있습니다.

They can pull calcium out of the environment,

이것들은 환경에서 칼슘을 빼내어

칼슘과 탄산염 층을 만들고, 또 마찬가지 층을 만듭니다

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

그것은 아미노산의 화학적 서열을 가지는데

It has the chemical sequences of amino acids which says,

이렇게 되어있습니다. “이것이 구조를 만드는 방법이다.”

"This is how to build the structure.

여기에 DNA 서열이 있고, 그것을 하기 위한

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

단백질 서열이 있다."

in order to do it."

So an interesting idea is,

흥미로운 아이디어는, 만약 여러분이 원하는 아무 물질이나

what if you could take any material you wanted,

주기율표에 아무 원소를 가져다가

or any element on the periodic table,

그것이 일치하는 DNA 서열을 찾아

and find its corresponding DNA sequence,

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

그에 맞는 단백질 서열로 암호화해서

구조를 만들면— 전복 조개를 만들지는 않고

but not build an abalone shell --

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

자연을 통해, 여지껏 작업해볼 기회가

없었던 어떤 새로운 것을 형성하면 어떻게 될까 하는 것입니다.

여기 주기율표가 있습니다.

And so here's the periodic table.

전 주기율표를 굉장히 좋아하죠.

I absolutely love the periodic table.

매년 MIT에 들어오는 신입생들을 위해,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

저는 이렇게 쓰여진 주기율표를 만들었습니다.

I have a periodic table made that says,

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

“MIT에 어서오세요. 이제 여러분은 자신의 원소안에 있습니다.”

(Laughter)

그것을 집어보면, 각각 다른 전하를

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

with the pH at which they have different charges.

가진 PH를 가진 아미노산이 있습니다.

And so I give this out to thousands of people.

전 이것을 수천명에게 줍니다.

And I know it says MIT and this is Caltech,

물론 전 여기에 MIT라고 씌여져 있고, 여기는 Caltech이지만

원하신다면 여기 더 있습니다.

but I have a couple extra if people want it.

전 이번 년도에

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

오바마 대통령께서 MIT에 제 실험실에

방문하시게 되어 행운이었고,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

전 그분께 이 주기율표를 드리고 싶었습니다.

그래서 전 밤을 샌 뒤, 제 남편에게 물었습니다.

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

“저기 내가 이 주기율표를 어떻게 대통령께 드릴까?”

"How do I give President Obama a periodic table?

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

만약 그가 이러면 어쩌지? “오, 전 이미 있습니다.”

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

아니면 “이미 외웠습니다”라고 하면?

(Laughter)

대통령께서 제 실험실에 오셔서

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

둘러보시고 – 그의 방문은 정말 기뻤죠.

And then afterward, I said,

그 후 제가 말했습니다.

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

“대통령님, 곤경에 처할 때나 분자량을

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

계산할 때를 대비해 이 주기율표를 드리고 싶습니다.”

(Laughter)

전 그 때 분자량이 물질량보다 덜 따분하게

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

들릴거라 생각했죠.

(Laughter)

그분께서 이러셨습니다.

And he looked at it and said,

그분께서 이러셨습니다.

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

“감사합니다. 주기적으로 보도록 하죠.”

(Laughter)

(하하)

(Applause)

(짝짝짝)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

후에 그분께서 청정 에너지에 관한 강연을 하실 때

he pulled it out and said,

그것을 꺼내 이러셨죠.

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

“그리고 MIT 사람들은, 제게 주기율표를 주었습니다.”

그러니 기본적으로 제가

So basically what I didn't tell you

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

말하지 않은 것은 5억년 전, 생물들이 물질을 만들기 시작했으나,

그것을 잘 다루기까진 5천만년이 더 걸렸다는 것입니다.

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

이 전복 껍질을 완벽히 만들도록

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

배우는 것이 5천만년이 더 걸린겁니다.

대학원생에겐 어려운 것이죠.

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

“난 대단한 기획이 있어. 5천만년이 걸리는.”

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

그래서 우리는 이것을 더 빨리

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

하기 위해 방법을 개발해야 했습니다.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

우리는 무독성 바이러스인

M13 박테리오파지를 사용했습니다.

그것은 박테리아를 감염시키죠.

whose job is to infect bacteria.

그것은 간단한 DNA 구조를 가져

Well, it has a simple DNA structure

우리가 그것을 가지고 자르고 추가로

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

DNA 서열을 붙일 수도 있습니다.

그리고 그것을 함으로써, 바이러스가

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

무작위의 단백질 서열을 표현하게 합니다.

This is pretty easy biotechnology,

이것은 꽤 쉬운 생명공학입니다.

and you could basically do this a billion times.

이것은 1조번 정도도 할 수 있죠.

So you can have a billion different viruses

또한 유전적으로 동일한 1조개의 다른 바이러스를

만들 수도 있지만,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

그것들은 각각의 끝에 있는, 한개의 단백질을

암호화하는

on one sequence,

한 서열에 의해 차이점이 생깁니다.

that codes for one protein.

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

만약 그 바이러스들을 가져다,

액체 한 방울에 주입하면,

you can force them to interact with anything you want

그것들이 여러분이 주기율표에 아무 원소와 소통하도록 강요하게 됩니다.

on the periodic table.

발전을 선택하는 과정을 통해,

And through a process of selection evolution,

여러분이 원하는 것을 하는, 꼭 배터리나 태양 전지를 만드는 것 같은

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

바이러스를 하나 뽑을 수도 있게 됩니다.

like grow a battery or a solar cell.

기본적으로, 바이러스는 스스로 복제하지 못해 숙주가 필요합니다.

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

한번 1조의 바이러스 중 하나를 찾으면

Once you find that one out of a billion,

그것을 박테리아에 감염시켜

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

특정한 서열의 많은 수를

of that particular sequence.

복제 할 수 있게됩니다.

The other thing that's beautiful about biology

생물학의 또다른 아름다운 것은 그것이

is that biology gives you really exquisite structures

여러분께 멋진 수준의 연결들을 포함하는 정교한 구조를

제공한다는 것입니다.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

이런 바이러스들은 길고 가늘어

and we can get them to express the ability

우리가 그것들을 이용해 반도체

to grow something like semiconductors

또는 배터리를 만드는 물질들을

or materials for batteries.

만들어내게 할 수 있습니다.

이것은 제 실험실에서 저희가 만든 고전력 배터리입니다.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

저희는 탄소 나노튜브를 고르기 위해 바이러스를 조작했습니다.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

바이러스의 다른 부분은 배터리를 위한

the other part of the virus has a sequence

전극 물질을 만들 수 있는

서열를 가지고 있습니다.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

그리고 스스로를 집전 장치에 전이합니다.

And so through a process of selection evolution,

그리고 선택 진화 과정을 통해,

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

저희는 형편없는 배터리를 가진 바이러스에서

좋은 배터리를 가진 바이러스로,

to a virus that made a good battery

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

현존수준을 넘어서는, 실온에서 만들어진, 기본적으로 벤치 위에 있는

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

고전력의 바이러스를 가지게 되었습니다.

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

그 배터리는 백악관에 기자 회견을 위해 보내졌습니다.

여기에 가져왔습니다.

and I brought it here.

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

이 케이스 안에 있는 게 보이시죠. 이 LED를 비추고있죠.

Now if we could scale this,

이것을 확대해, 프리우스를

you could actually use it to run your Prius,

달리게 사용할 수 있죠.

그것은 제 꿈이기도 합니다.

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

바이러스로 달리는 차를 운전하게 하는거죠.

(Laughter)

그러나 기본적으로,

But basically you can pull one out of a billion,

1조개의 바이러스 중 하나를 빼낼 수 있죠.

and make lots of amplifications to it.

1조개의 바이러스 중 하나를 빼낼 수 있죠.

Basically, you make an amplification in the lab,

기본적으로, 실험실 안에서 확장을 만들 수 있습니다.

그리고 배터리같은 구조로

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

자기 조립을 하게 합니다.

We're able to do this also with catalysis.

촉매제와 함께 이것을 할 수도 있습니다.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

이것은 물을

분리하는 광촉매의 예입니다.

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

그리고 저희가 가능하게 한 것은

바이러스를 조작해 염료를 흡수하는 분자를 가지고

to basically take dye-absorbing molecules

그것들을 바이러스의 표면에 배열해

and line them up on the surface of the virus

안테나처럼 작동하게 하고,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

우리는 바이러스를 통해 에너지를 전달하는 것입니다.

저희는 유전자가 물이

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

깨끗한 연료로 사용될 수 있는

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

산소와 수소로 나뉘게

사용할 수 있는 무기물로

that can be used for clean fuels.

성장하게 잠시 둡니다.

I brought an example of that with me today.

오늘 제가 그 예를 가져왔습니다.

My students promised me it would work.

저의 학생들이 잘 될것이라 약속했죠.

These are virus-assembled nanowires.

이것들은 바이러스가 모은 나노와이어입니다.

이것을 비추면, 거품이 솟는 것을 볼 수 있습니다.

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

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

(Applause)

유전자를 조정함으로써, 여러분의 장치의

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

수행능력을 향상시키기 위해 다수의 물질을 조정하게 됩니다.

마지막 예는 태양 전지입니다.

The last example are solar cells.

태양전지를 사용해 이걸 할 수도 있죠

You can also do this with solar cells.

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

저희는 바이러스를 조작해 탄소 나노튜브를

골라 이산화티타늄을 그것들 주변에 자라게

and then grow titanium dioxide around them,

할 수 있게되었고, 이것을 장치를 통해

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

전자를 얻는 방법으로 사용하게 되었습니다.

And what we've found is through genetic engineering,

그리고 저희가 알아낸 것은, 유전자 공학을 통해

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

저희가 염료에 민감한

시스템의 종류를 위해

to record numbers

숫자를 기록하는

for these types of dye-sensitized systems.

태양 전지의 효율을 늘리게 되었습니다.

And I brought one of those as well,

그중 하나를 또 가져와 후에

that you can play around with outside afterward.

바깥에서 가지고 놀도록 하겠습니다.

이것은 바이러스 기반의 태양 전지입니다.

So this is a virus-based solar cell.

진화와 선택을 통해,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

저희는 8%의 효율을 가진 태양 전지를

11% 효율로 끌어올리게 되었습니다.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

자, 자연이 어떻게

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

물질들을 만드는지 배우는 것엔 엄청나고 흥미로운 것이

있다고 잘 확인시켜드렸길 바랍니다.

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

그리고 이것을 다음 단계로 가져가

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

자연이 물질을 만드는 것에

장점을 얻거나, 조정해 자연이 아직 만들려고 하직 않았던 것을

얻을 수도 있나 보는 거죠.

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

Thank you.

감사합니다.

(Applause)