Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Translator: Laura Bojarskaitė Reviewer: Monika Ciurlionyte

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

Pamaniau, jog truputį pakalbėsiu apie tai, kaip gamta kuria medžiagas.

I brought along with me an abalone shell.

Su savimi atsinešiau jūrinės ausinukės kriauklę.

Ši jūrinės ausinukės kriauklė yra sudaryta iš natūralių medžiagų,

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

98 masės % kalcio karbonato

and two percent by mass protein.

ir 2 masės % baltymų.

Vis dėlto ji 3,000 kartų tvirtesnė,

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

nei jos geologinė kolega.

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

Ir daugelis žmonių gali naudoti tokias struktūras kaip jūrinės ausinukės kriauklės,

kaip kreida.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Aš buvau sužavėta to, kaip gamta kuria medžiagas

ir tame, kaip ji atlieka tokį rafinuotą darbą,

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

yra labai daug nuoseklumo.

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

Dalis to yra tai, kad šios medžiagos

turi makroskopinę struktūrą,

tačiau formuojamos nanoskalės lygyje.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Jos formuojamos nanoskalės lygyje

and they use proteins that are coded by the genetic level

ir naudoja baltymus, kurie koduojami genetiniame lygmenyje,

leidžiančiame jiems kurti šias tikrai rafinuotas struktūras.

that allow them to build these really exquisite structures.

Taigi aš manau, kas galėtų būti labai žavinga

So something I think is very fascinating is:

yra, jei mes galėtume duoti gyvybę

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

tokioms negyvoms struktūroms

like batteries and like solar cells?

kaip baterijos ir saulės elementai.

What if they had some of the same capabilities

Kas jei jie turėtų kažkiek tokių pat sugebėjimų,

kokių turėjo jūrinės ausinukės kriauklė,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

kalbant apie tokius sugebėjimus

kaip statyti tikrai rafinuotas struktūras

at room temperature and room pressure,

esant kambario temperatūrai, atmosferos slėgiui,

using nontoxic chemicals

nenaudojant jokių toksiškų chemikalų

and adding no toxic materials back into the environment?

ir neteršiant gamtos jokiomis toksiškomis medžiagomis?

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

Taigi tokia yra vizija, apie kurią galvojau.

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

Ir kas jei galėtume išauginti bateriją Petri lėkštelėje?

Arba, kas jei galėtum perduoti baterijai genetinę informaciją,

Or what if you could give genetic information to a battery

kad ji taptų geresnė

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

laiko atžvilgiu,

ir tai padaryti ekologiniu būdu?

in an environmentally friendly way?

Grįžtant prie jūrinės ausinukės

And so, going back to this abalone shell,

be to, kad ji yra nano struktūros,

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

žavi tai,

when a male and female abalone get together,

kad kai jūrinių ausinukių patinas ir patelė susitinka,

they pass on the genetic information that says,

jie perduoda genetinę informaciją,

kuri sako: "Taip reikia statyti rafinuotą medžiagą.

"This is how to build an exquisite material.

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

Taip reikia statyti ją esant kambario temperatūrai ir atmosferos slėgiui

nenaudojant toksinių medžiagų."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Taip pat yra ir su titnagdumbliais, kurie parodyti štai čia ir yra stiklinės struktūros.

which are glasseous structures.

Kiekvienąkart titnagdumbliams replikuojantis,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

jie perduoda genetinę informaciją, kuri sako:

"Taip reikia vandenyne statyti stiklą,

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

kuris puikiausiai nano-struktūrizuotas.

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

Ir Jūs galite tai kartoti ir kartoti."

Taigi kas jei galėtume taip daryti

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

su saulės elementais ir baterijomis?

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

Man patinka sakyti, kad mano mylimiausia biomedžiaga yra mano keturmetis.

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

Tačiau bet kas turėjęs ar pažinojęs mažus vaikus

žino, kad jie neįtikėtinai sudėtingi organizmai.

they're incredibly complex organisms.

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

Ir jei norėtum juos įtikinti

daryti tai, ko jie nenori, būtų labai sunku.

it's very difficult.

Taigi, kai mes mąstome apie ateities technologijas,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

mes iš tiesų galvojame apie bakterijų ir virusų, paprastų organizmų

panaudojimą.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Ar jūs galite juos įtikinti dirbti su nauja įrankių dėže,

kad jie galėtų statyti

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

man svarbias struktūras?

Also, when we think about future technologies,

Taip pat, mes galvojame apie ateities technologijas.

we start with the beginning of Earth.

Mes pradedame nuo Žemės atsiradimo.

Iš esmės, kad Žemėje atsirastų gyvybė,

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

prireikė milijardo metų.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Ir labai greitai gyvybė tapo daugialąstelinė,

galėjo replikuotis, fotosintetinti

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

tam, kad gautų energijos.

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

Tačiau tik prieš 500 milijonų metų --

per Kambro geologinį periodą --

during the Cambrian geologic time period --

vandenyno organizmai pradėjo kurti kietas medžiagas.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Prieš tai jie visi buvo minkštos, purios struktūros.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Kambro periodo metu aplinkoje

It was during this time that there was increased calcium,

padaugėjo ir kalcio, ir geležies,

iron and silicon in the environment,

ir silicio.

and organisms learned how to make hard materials.

Organizmai išmoko gaminti kietas medžiagas.

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

Būtent tai aš ir norėčiau mokėti --

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

įtikinti biologiją

dirbti su likusia periodinės lentelės dalimi.

Now, if you look at biology,

Jei pažvelgtumėte į biologiją,

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

yra daug struktūtų kaip DNR ar antikūniai

ir baltymai, ir ribosomos, apie kuriuos esate girdėję,

you've heard about,

kurie jau yra nano-struktūrizuoti.

that are nanostructured --

Taigi gamta jau mums pateikia

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

tikrai rafinuotas nanoskalės struktūras.

What if we could harness them

Kas jei galėtume jas įkinkyti

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

ir įtikinti nebebūti antikūniu,

kuris daro kažką panašaus į ŽIV?

Bet kas jei galėtume juos įtikinti

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

gaminti mums saulės elementus?

Taigi štai Jums keletas pavyzdžių: čia yra keletas natūralių kriauklių.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Tai natūralios biologinės medžiagos.

The abalone shell here.

Jūrinės ausinukės kriauklė -- ir jei Jūs ją įskelsite,

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

galite pamatyti, kad ji nano-struktūrizuota.

Titnagdumbliai sudaryti iš silicio dioksido,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

jie - magnetotaktinės bakterijos,

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

kurios gamina mažus, vieno domeno magnetus, kuriuos naudoja navigacijai.

What all these have in common

Ką jie visi turi bendro yra

is these materials are structured at the nano scale,

tai, kad šios medžiagos yra nanoskalės struktūros

ir turi DNR seką,

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

koduojančią baltymų seką,

that gives them the blueprint

kuri suteikia jiems planą,

to be able to build these really wonderful structures.

įgalinantį statyti šias tikrai nuostabias struktūras.

Now, going back to the abalone shell,

Grįžtant prie jūrinės ausinukės kriauklės,

jūrinė ausinukė gamina šią kriauklę tam tikrų turimų baltymų dėka.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Tie baltymai labai neigiamai įkrauti.

They can pull calcium out of the environment,

Ir jie gali iš aplinkos savintis kalcį,

dėti kalcio sluoksnį, tada karbonato, kalcio ir karbonato.

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

Šie baltymai turi aminorūgščių seką,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

sakančią: "Taip reikia statyti struktūrą.

"This is how to build the structure.

Štai DNR seka, štai baltymų seka

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

reikalingos tai padaryti."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Ir įdomu tai, kad jei galėtume paimti kiekvieną medžiagą, kokios tik norėtume,

what if you could take any material you wanted,

arba bet kokį periodinės lentelės elementą,

or any element on the periodic table,

rasti atitinkamą DNR seką,

and find its corresponding DNA sequence,

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

užkoduoti ją reikiamai baltymų sekai tam,

kad pastatytume struktūrą, tačiau ne jūrinės ausinukės kriauklę --

but not build an abalone shell --

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

pastatyti kąnors, gamtos dėka,

su kuo dar niekada neteko dirbti.

Taigi štai periodinė lentelė.

And so here's the periodic table.

Aš labai myliu periodinę lentelę.

I absolutely love the periodic table.

Kasmet kiekvienai naujokų klasei MIT

Every year for the incoming freshman class at MIT,

aš esu paruošusi periodinę lentelę, kuri sako:

I have a periodic table made that says,

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

"Sveiki atvykę į MIT. Dabar Jūs savo elemente."

(Laughter)

Ir jūs galite ją apversti ir rasti aminorūgščių seką

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

with the pH at which they have different charges.

su pH vertėmis, kurioms esant jos turi skirtingus krūvius.

And so I give this out to thousands of people.

Ir tokias lenteles aš duodu tūkstančiams žmonių.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Ir žinau, jog ant jų parašyta MIT, o čia Caltech,

tačiau turiu keletą papildomų lentelių, jei žmonės užsinorėtų.

but I have a couple extra if people want it.

Ir man tikrai pasisekė,

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

kad prezidentas Obama aplankė mano laboratoriją

lankydamasis MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

ir aš tikrai norėjau jam duoti periodinę lentelę.

Taigi aš nemiegojau visą naktį ir kalbėjausi su savo vyru:

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

"Kaip man prezidentui Obama duoti periodinę lentelę?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Kas jei jis pasakys: 'O, aš jau turiu tokią,'

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

arba: 'Aš jau ją moku mintinai'?"

(Laughter)

Taigi jis atvyko į mano laboratoriją,

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

apsižvalgė -- tai buvo puikus vizitas.

And then afterward, I said,

Ir po to, aš pasakiau:

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

"Pone, norėjau Jums duoti periodine lentelę

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

jei netyčia kada užstrigtumėte ir Jums reiktų suskaičiuoti molekulinę masę."

(Laughter)

Aš pamaniau kad molekulinė masė skamba ne taip moksliukiškai

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

kaip molinė masė.

(Laughter)

Jis pažvelgė į ją

And he looked at it and said,

ir tarė:

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

"Ačiū. Aš periodiškai į ją žiūrėsiu."

(Laughter)

(Juokas)

(Applause)

(Plojimai)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Vėliau, sakydamas paskaitą apie švarią energiją,

he pulled it out and said,

jis išsitraukė ją ir pasakė:

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

"Ir MIT žmonės, jie dalina periodines lenteles."

Taigi iš esmės ko aš Jums nesakiau

So basically what I didn't tell you

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

yra tai, kas maždaug pries 500 milijonus metų organizmai pradėjo kurti medžiagas,

tačiau jiems prireikė apie 50 milijonų metų, kad jie taptų geri toje srityje.

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

Jiems prireikė 50 milijonų metų,

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

kad jie išmoktų idealiai gaminti jūrinės ausinukės kriauklę.

Ir tai sunku įtikinti magistrantui.

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

"Aš turiu nuostabų projektą -- 50 milijonų metų."

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

Taigi mes atradome kelią

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

viską atlikti greičiau.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Mes naudojame virusą, netoksišką virusą,

vadinamą M13 bakteriofagu,

kurio darbas yra užkrėsti bakterijas.

whose job is to infect bacteria.

Jo paprasta DNR struktūra,

Well, it has a simple DNA structure

kurios tam tikras dalis galima iškirpti arba

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

tam tikras dalis įterpti

Taip darant, virusas

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

sintetina atsitiktines baltymų sekas.

This is pretty easy biotechnology,

Tai pakankamai paprasta biotechnologija.

and you could basically do this a billion times.

Ir iš esmės tai galima atlikti milijardus kartų.

So you can have a billion different viruses

Taigi galima turėti milijardą skirtingų virusų,

kurie genetiškai identiški,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

tačiau skiriasi vienas nuo kito remiantis

viena seka,

on one sequence,

kuri koduoja vieną baltymą.

that codes for one protein.

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

Paėmus milijardą virusų

ir idėjus juos į lašą skysčio,

you can force them to interact with anything you want

galima priversti juos sąveikauti su bet kokiu periodinės lentelės elementu.

on the periodic table.

Ir natūraliosios atrankos proceso metu

And through a process of selection evolution,

gali ištraukti vieną iš milijardo, kuris darys kažką, ko tu norėsi,

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

pavyzdžiui, augins bateriją ar saulės elementą.

like grow a battery or a solar cell.

Iš esmės, virusai negali replikuotis, jiems reikia šeimininko.

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

Kai tik randi tą vieną iš milijono,

Once you find that one out of a billion,

apkreti juo bakteriją

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

ir taip gamini milijonus ir milijardus atitinkamos

of that particular sequence.

sekos kopijų.

The other thing that's beautiful about biology

Kitas gražus su biologija susijęs dalykas

is that biology gives you really exquisite structures

yra tai, kad biologija kuria labai rafinuotas struktūras

su įmantriomis jungčių skalėmis.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Šie virusai ilgi ir ploni,

and we can get them to express the ability

mes galime juos priversti išreikšti galimybę

to grow something like semiconductors

gaminti kažką tokio kaip puslaidininkiai

or materials for batteries.

arba medžiagos baterijoms.

Čia didelio galingumo baterija, kurią išauginome mano laboratorijoje.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Mes privertėme virusą rinkti nanovamzdelius.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Taigi viena viruso dalis griebia anglies nanovamzdelį.

the other part of the virus has a sequence

Kita viruso dalis turi seką,

kuri gali baterijai užauginti elektrodo medžiagą.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Ir tuomet ji prisijungia laidais prie srovės surinkėjo.

And so through a process of selection evolution,

Natūraliosios atrankos proceso metu

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

mes pirmiausia sukūrėme virusą, gebantį kurti prastą bateriją,

po to užprogramavome virusą kurti visai gerą bateriją

to a virus that made a good battery

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

ir galiausiai sikūrėme virusą, gebantį gaminti rekordus viršijančią, didelio galingumo bateriją,

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

kuri visa gaminama esant kambario temperatūrai, iš esmės darbastalio viršuje.

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

Ir baterija pateko į Baltuosius Rūmus, į spaudos konferenciją.

Aš atsinešiau ją čia.

and I brought it here.

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

Galite ją pamatyti šiame lagaminėlyje -- jos dėka šviečia ši LED lempa.

Now if we could scale this,

Jei mums pavyktų padidinti visa tai,

you could actually use it to run your Prius,

tokias baterijas galima būtų naudoti

kaip energijos šaltinį Jūsų Toyota Prius automobiliui,

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

kas yra mano svajonė -- vairuoti viruso varomą automobilį.

(Laughter)

Tačiau iš esmės --

But basically you can pull one out of a billion,

galite ištraukti vieną iš milijardo.

and make lots of amplifications to it.

Galite jam atlikti daugybę amplifikacijų.

Basically, you make an amplification in the lab,

Iš esmės, amplifikaciją atlieki laboratorijoje.

Ir tada jis pats susrenka

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

į struktūrą kaip baterija.

We're able to do this also with catalysis.

Mes galime taip elgtis ir su katalize.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Pavyzdžiui,

su fotokatalitiniu vandens skaidymu.

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

Ką mes galėjome padaryti

tai sukurti virusą, kuris iš esmės renka dažus/spalvas absorbuojančias molekules

to basically take dye-absorbing molecules

ir išrikiuoja jas viruso paviršiuje

and line them up on the surface of the virus

kaip anteną.

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

Energija perduodama per virusą.

Tada mes duodame antrą geną,

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

kad užaugintų neorganinį metalą,

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

kuris galėtų būti panaudotas vandens skaidymui

į deguonį ir vandenilį,

that can be used for clean fuels.

kuris gali būti panaudojamas švariam kurui.

I brought an example of that with me today.

Aš atsinešiau su savimi pavyzdį.

My students promised me it would work.

Mano studentai pažadėjo man, kad tai veiks.

These are virus-assembled nanowires.

Čia iš virusų padaryti nanolaidai.

Kai į juos švieti, gali matyti kaip jie burbuliuoja.

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

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

Šiuo atveju, matote deguonies burbuliukus.

(Applause)

Iš esmės, kontroliuodami genus,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

galime kontroliuoti sudėtines medžiagas, kad pagerintume prietaiso veikimą.

Paskutinis pavyzdys yra saulės elementai.

The last example are solar cells.

Visa tai galima padaryti ir su saulės elementais.

You can also do this with solar cells.

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

Mes galėjome sukurti virusus,

kurie renka anglies nanovamzdelius

and then grow titanium dioxide around them,

ir išaugina titano dioksidą aplink juos --

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

būdas elektronams judėti per prietaisą.

And what we've found is through genetic engineering,

Ir ką mes sužinojome, kad genų inžinerijos dėka

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

mes galime padidinti

saulės elementų efektyvumą

to record numbers

iki rekordinių skaičių

for these types of dye-sensitized systems.

naudodami šias dažams jautrias sistemas.

And I brought one of those as well,

Atsinešiau ir vieną tokį pavyzdį,

that you can play around with outside afterward.

su kuriuo galėsite vėliau lauke pažaisti.

Čia virusiniu pagrindu sukurtas saulės elementas.

So this is a virus-based solar cell.

Evoliucijos ir natūraliosios atrankos dėka

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

mes padidinome saulės elemento efektyvumą nuo 8%

11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Taigi tikiuosi, jog įtikinau Jus,

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

kad yra daug nuostabių, įdomių dalykų, kuriuos galime sužinoti

apie tai, kaip gamta gamina medžiagas --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

kitas žingsnis -

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

pažiūrėti ar galime tai pažaboti

arba pasinaudoti tuo, kaip gamta gamina medžiagas,

gamindami medžiagas, kurių gamta nė nesvajojo kurti.

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

Thank you.

Ačiū.

(Applause)