Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Vertaald door: Roel Verbunt Nagekeken door: Els De Keyser

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

Ik wil wat vertellen over hoe de natuur materiaal maakt.

I brought along with me an abalone shell.

Ik heb een zeeoorschelp meegebracht.

Deze zeeoorschelp is een biocomposietmateriaal

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

dat voor 98 massaprocent uit calciumcarbonaat bestaat

and two percent by mass protein.

en voor twee massaprocent uit eiwit.

Toch is het 3.000 keer sterker

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

dan zijn geologische tegenhanger.

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

Veel mensen gebruiken misschien structuren als zeeorenschelpen,

als krijt.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Ik ben gefascineerd door hoe de natuur materiaal maakt,

en er is veel navolging

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

van hoe ze zo'n uitgelezen taak volbrengt.

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

Een onderdeel daarvan houdt in dat dit materiaal

een macroscopische structuur heeft,

maar op nano-schaal wordt gevormd.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Ze zijn op nano-schaal gevormd,

and they use proteins that are coded by the genetic level

en ze gebruiken eiwitten die op genetisch niveau zijn vastgelegd,

waardoor ze deze voortreffelijke structuren kunnen opbouwen.

that allow them to build these really exquisite structures.

Wat ik erg fascinerend vind,

So something I think is very fascinating is:

is de vraag of je niet-levende structuren

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

zoals batterijen en zonnecellen

like batteries and like solar cells?

een leven kunt geven.

What if they had some of the same capabilities

Als ze nou eens een paar van de capaciteiten

van de zeeoor zouden hebben,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

zoals in staat zijn

om bij kamertemperatuur en normale druk,

at room temperature and room pressure,

werkelijk voortreffelijke structuren op te bouwen

using nontoxic chemicals

uit niet-giftige stoffen

and adding no toxic materials back into the environment?

en zonder giftig materiaal in het milieu te brengen?

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

Dus ik heb over dat visioen nagedacht.

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

Als je nou eens een batterij kon laten groeien in een petrischaaltje?

Of als je een batterij genetische informatie kon geven,

Or what if you could give genetic information to a battery

zodat deze na verloop van tijd

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

steeds beter wordt,

en ook nog op een milieuvriendelijke manier?

in an environmentally friendly way?

Om terug te komen op deze zeeoorschelp,

And so, going back to this abalone shell,

naast de nano-structuur

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

is het fascinerend

when a male and female abalone get together,

dat als een zeeoormannetje en zeeoorvrouwtje bij elkaar komen,

they pass on the genetic information that says,

ze genetische informatie uitwisselen

die vertelt: "Zo kun je een voortreffelijk materiaal maken.

"This is how to build an exquisite material.

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

Zo doe je dat bij kamertemperatuur en normale druk,

met niet-giftige stoffen."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Hetzelfde geldt voor de kiezelwieren hier, die een glasachtige structuur hebben.

which are glasseous structures.

Telkens als een kiezelwier zich voortplant,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

geven ze de genetische informatie door die vertelt:

"Zo kun je glas maken in de oceaan,

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

met een perfecte nano-structuur.

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

En dat kun je steeds weer opnieuw doen."

Als je dat nou eens zou kunnen doen

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

met een zonnecel of een batterij?

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

Ik vertel graag dat mijn favoriete biomateriaal, mijn vier jaar oud kind is.

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

Iedereen die ooit kleine kinderen heeft gehad of kent,

weet dat ze ongelofelijk complexe organismen zijn.

they're incredibly complex organisms.

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

Als je ze ervan wilt overtuigen

iets te doen waar ze geen zin in hebben, is dat heel moeilijk.

it's very difficult.

Dus als we aan toekomsttechnologieën denken,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

denken we aan het gebruik van bacteriën en virussen,

eenvoudige organismen.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Kun je ze overtuigen om een nieuwe gereedschapskist te gebruiken,

zodat ze structuren kunnen bouwen,

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

die voor mij van belang zijn?

Also, when we think about future technologies,

Ook denken we na over toekomsttechnologieën.

we start with the beginning of Earth.

We beginnen bij het ontstaan van de aarde.

In wezen duurde het een miljard jaar

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

tot er leven was op aarde.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Heel snel werd het meercellig,

ze konden zich voortplanten, ze konden fotosynthese gebruiken

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

om aan energie te komen.

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

Maar het is hooguit 500 miljoen jaar geleden --

tijdens het geologisch tijdperk Cambrium --

during the Cambrian geologic time period --

dat organismen in de oceaan harde materialen begonnen aan te maken.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Daarvoor waren het allemaal zachte, pluizige structuren.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

In die tijd was er

It was during this time that there was increased calcium,

een verhoogde concentratie calcium en ijzer

iron and silicon in the environment,

en silicium in het milieu.

and organisms learned how to make hard materials.

Organismen leerden hoe ze harde materialen konden maken.

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

Dat wil ik ook kunnen --

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

de biologie overtuigen

om met de rest van het periodiek systeem te werken.

Now, if you look at biology,

Als je de biologie bekijkt,

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

zijn er veel structuren waarvan je gehoord hebt,

zoals DNA en anti-lichaampjes en eiwitten en ribosomen,

you've heard about,

die al een nano-structuur hebben.

that are nanostructured --

Dus de natuur geeft ons al

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

werkelijk voortreffelijke structuren op nano-schaal.

What if we could harness them

Als we die nou eens konden benutten

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

en ze ervan te overtuigen dat ze geen anti-lichaampje zijn

dat iets als HIV doet?

Maar als we ze ervan konden overtuigen

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

om voor ons een zonnecel te bouwen?

Hier zijn wat voorbeelden: dit zijn natuurlijke schelpen.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Het zijn natuurlijke biologische materialen.

The abalone shell here.

De zeeoorschelp hier -- en als je die breekt,

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

zie je dat ze een nano-structuur heeft.

Er zijn kiezelwieren die uit siliciumdioxide bestaan,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

en dat zijn magnetotactische bacteriën,

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

die kleine enkel-domein magneetjes maken, die ze gebruiken voor navigatie.

What all these have in common

Wat deze allemaal gemeen hebben

is these materials are structured at the nano scale,

is dat deze materialen op een nano-schaal zijn gestructureerd.

Ze hebben een DNA-sequentie

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

die codeert voor een eiwitsequentie,

that gives them the blueprint

die hen een blauwdruk geeft

to be able to build these really wonderful structures.

om deze wonderlijke structuren zelf te kunnen bouwen.

Now, going back to the abalone shell,

Nu weer terug naar de zeeoorschelp.

De zeeoor maakt deze schelp met eiwitten.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Deze eiwitten zijn erg negatief geladen.

They can pull calcium out of the environment,

Ze kunnen calcium uit hun omgeving onttrekken,

een laagje calcium leggen en dan carbonaat, calcium en carbonaat.

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

Het heeft de chemische volgorde van aminozuren

It has the chemical sequences of amino acids which says,

die vertellen: "Zo kun je de structuur opbouwen.

"This is how to build the structure.

Hier is de DNA-sequentie, hier is de eiwitsequentie

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

om het te doen."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Dus het is een interessante gedachte, als je elk materiaal dat je wilt kunt kiezen,

what if you could take any material you wanted,

of elk element uit het periodiek systeem,

or any element on the periodic table,

en er dan de overeenkomstige DNA-sequentie bij zoeken,

and find its corresponding DNA sequence,

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

dan daar de overeenkomstige eiwitsequentie bij coderen,

om een structuur op te bouwen, maar geen zeeoorschelp.

but not build an abalone shell --

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

Bouw dan iets waar de natuur

nog nooit mee heeft kunnen werken.

Hier is het periodiek systeem.

And so here's the periodic table.

Ik hou absoluut van het periodiek systeem.

I absolutely love the periodic table.

Elk jaar heb ik voor de nieuwe studenten, die beginnen op MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

een periodiek systeem gemaakt met de tekst:

I have a periodic table made that says,

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

"Welkom op MIT. Nu voel je je in je element."

(Laughter)

Als ik dat omsla, zie je de aminozuren

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

with the pH at which they have different charges.

met de zuurgraad waarop ze een andere lading krijgen.

And so I give this out to thousands of people.

Dus ik geef dit mee aan duizenden mensen.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Ik weet dat er MIT op staat, en dit hier is Caltech,

maar ik heb er een paar extra als iemand ze wil hebben.

but I have a couple extra if people want it.

Ik had veel geluk

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

dat president Obama dit jaar mijn lab bezocht

bij zijn bezoek aan MIT.

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

Ik wilde hem echt een periodiek systeem geven.

Ik bleef laat op en praatte met mijn man.

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

"Hoe geef ik president Obama een periodiek systeem?"

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Als hij nou zegt: "O, ik heb er al eentje",

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

of "Dat ken ik al uit mijn hoofd"?

(Laughter)

Hij kwam mijn lab bezoeken

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

en keek rond -- het was een geweldig bezoek.

And then afterward, I said,

Aan het einde, zei ik:

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

"Meneer, ik wil u een periodiek systeem geven

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

voor het geval u ooit in de problemen bent en het moleculair gewicht moet kunnen berekenen."

(Laughter)

Ik vond dat moleculair gewicht minder nerd-achtig klonk

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

dan molmassa.

(Laughter)

Dus hij keek ernaar,

And he looked at it and said,

en hij zei:

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

"Dank u. Ik zal er periodiek naar kijken."

(Laughter)

(Gelach)

(Applause)

(Applaus)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Later toen hij een lezing over schone energie gaf,

he pulled it out and said,

haalde hij het tevoorschijn en zei:

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

"En de MIT-mensen delen periodieke systemen uit."

Wat ik jullie niet verteld heb,

So basically what I didn't tell you

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

is dat organismen 500 miljoen jaar geleden begonnen met materialen maken,

maar dat het ze 50 miljoen jaar kostte om er goed in te worden.

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

Het kostte ze ongeveer 50 miljoen jaar

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

om het maken van zo'n zeeoorschelp te perfectioneren.

Daar heeft een student geen zin in.

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

"Ik heb een geweldig project -- 50 miljoen jaar".

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

Daarom moesten we een manier verzinnen

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

om dit sneller te kunnen doen.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Daarom gebruiken we een niet-giftig virus

dat de M13 bacteriofaag heet,

die als taak heeft om bacteriën te besmetten.

whose job is to infect bacteria.

Het heeft een eenvoudige DNA-structuur

Well, it has a simple DNA structure

die je kunt bewerken en waar je met cut en paste

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

DNA-sequenties aan kunt toevoegen.

Door dat te doen, zorg je dat het virus

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

willekeurige eiwitsequenties voortbrengt.

This is pretty easy biotechnology,

Dat is erg gemakkelijke biotechnologie.

and you could basically do this a billion times.

Je kunt dit in feite een miljard keer doen.

So you can have a billion different viruses

Je krijgt dan een miljard verschillende virussen

die allemaal genetisch identiek zijn,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

maar ze verschillen van elkaar op basis van die stukjes,

op één sequentie

on one sequence,

die voor één eiwit codeert.

that codes for one protein.

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

Als je nu al die miljard virussen

in een druppel vloeistof verzamelt,

you can force them to interact with anything you want

dan kun je ze dwingen om met het hele periodiek systeem te werken.

on the periodic table.

Via een proces van selectie-evolutie,

And through a process of selection evolution,

kun je er net die ene uitpikken die iets doet wat jou bevalt,

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

zoals een batterij of een zonnecel te laten groeien.

like grow a battery or a solar cell.

Virussen kunnen zichzelf niet vermenigvuldigen. Ze hebben een gastheer nodig.

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

Als je die ene van het miljard hebt gevonden,

Once you find that one out of a billion,

besmet je er een bacterie mee,

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

en je maakt miljoenen, miljarden kopieën

of that particular sequence.

van die specifieke sequentie.

The other thing that's beautiful about biology

Wat verder zo mooi is aan biologie,

is that biology gives you really exquisite structures

is dat biologie je werkelijk voortreffelijke structuren geeft

met een leuke verbindingsschaal.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Deze virussen zijn lang en mager,

and we can get them to express the ability

en we kunnen ze de mogelijkheid geven

to grow something like semiconductors

om zoiets als halfgeleiders te laten groeien

or materials for batteries.

of materialen voor batterijen.

Dit is een sterke batterij die we in ons lab lieten groeien.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

We sleutelden aan een virus om het koolstof nanobuisjes te laten opnemen.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Dus één deel van het virus pakt het koolstof nanobuisje.

the other part of the virus has a sequence

Het andere deel van het virus heeft een sequentie

die een elektrode voor een batterij kan laten groeien.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Daarna sluit het zichzelf aan op de stroomverzamelaar.

And so through a process of selection evolution,

Dus met een proces van selectie-evolutie,

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

hebben we een virus dat een zwakke batterij maakte,

veranderd in een virus dat een goede batterij maakt.

to a virus that made a good battery

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

Een virus dat een recordbrekende, sterke batterij maakt

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

op kamertemperatuur, eigenlijk op een werkblad.

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

Die batterij ging naar het Witte Huis voor een persconferentie.

Ik heb ze meegebracht.

and I brought it here.

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

Je ziet in dit geval -- dat doet deze LED oplichten.

Now if we could scale this,

Als we dit konden opschalen,

you could actually use it to run your Prius,

zou je het kunnen gebruiken

om je Prius op te laten lopen.

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

Dat is mijn droom -- om in een virus-aangedreven auto te rijden.

(Laughter)

Maar eigenlijk --

But basically you can pull one out of a billion,

je kunt er eentje van het miljard uitpikken.

and make lots of amplifications to it.

Je kunt er allerlei aanpassingen op aanbrengen.

Basically, you make an amplification in the lab,

Je maakt een aanpassing in het lab.

Daarna laat je het structuren als

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

een batterij zelf in elkaar zetten.

We're able to do this also with catalysis.

We kunnen dit ook doen met katalyse.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Dit is het voorbeeld

van fotokatalytische splitsing van water.

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

Wat we hebben gedaan,

is een virus in elkaar knutselen dat kleurstofabsorberende moleculen pakt,

to basically take dye-absorbing molecules

en die opstelt op het oppervlak van het virus.

and line them up on the surface of the virus

Dus het werkt als een antenne,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

en je krijgt een energie-uitwisseling over het virus.

Dan geven we het een tweede gen,

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

om het anorganisch materiaal te laten groeien,

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

dat gebruikt kan worden om water te splitsen

in zuurstof en waterstof,

that can be used for clean fuels.

voor schone brandstof.

I brought an example of that with me today.

Ik heb vandaag een voorbeeld meegebracht.

My students promised me it would work.

Mijn studenten beloofden me dat het zal werken.

These are virus-assembled nanowires.

Dit zijn nano-draadjes die door virussen in elkaar zijn gezet.

Als je er licht op laat vallen, zie je ze bubbelen.

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

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

In dit geval zie je zuurstofbelletjes vrijkomen.

(Applause)

In feite kun je door de genen te controleren,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

de vele materialen controleren om de prestaties van je apparaat te verbeteren.

Het laatste voorbeeld zijn zonnecellen.

The last example are solar cells.

Je kunt dit ook doen met zonnecellen.

You can also do this with solar cells.

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

We hebben virussen ontwikkeld

om koolstof nano-buisjes op te halen

and then grow titanium dioxide around them,

en daar titaniumdioxide omheen te laten groeien --

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

en gebruiken als een manier om elektronen door het apparaat te krijgen.

And what we've found is through genetic engineering,

We hebben ontdekt dat we met genetische engineering,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

de efficiëntie van deze

zonnecellen laten toenemen

to record numbers

tot recordhoogte

for these types of dye-sensitized systems.

voor deze types kleurstofgevoelige systemen.

And I brought one of those as well,

Zo een heb ik ook meegebracht.

that you can play around with outside afterward.

Straks kun je er buiten wat mee spelen.

Dit is een op virussen gebaseerde zonnecel.

So this is a virus-based solar cell.

Door evolutie en selectie,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

hebben we een zonnecel met acht procent efficiëntie

tot 11 procent efficiëntie verhoogd.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Dus ik hoop dat ik jullie ervan overtuigd heb

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

dat er een hoop geweldige, interessante dingen te leren zijn

over hoe de natuur materialen maakt.

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

Om de volgende stap te nemen

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

om te kijken of je kunt dwingen,

of dat je voordeel kunt hebben van hoe de natuur materialen maakt,

om dingen te maken waarvan de natuur zelf niet durft te dromen.

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

Thank you.

Dank je.

(Applause)