Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Tłumaczenie: Marta Barszcz Korekta: Marek Kasiak

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

Opowiem pokrótce jak natura tworzy materiały.

I brought along with me an abalone shell.

Mam ze sobą muszlę ślimaka słuchotka.

To materiał biokompozytowy sładający się

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

w 98% z węglanu wapnia

and two percent by mass protein.

oraz w 2% z białka.

A jednak jest 3000 razy wytrzymalszy

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

niż jego geologiczny odpowiednik.

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

Wiele ludzi może używać muszli

jako kredy.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Fascynuje mnie jak natura tworzy materiały

jest dużo etapow składających się na

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

tak wyrafinowaną pracę.

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

Te materiały

są makroskopowe w strukturze

ale uformowane w nanoskali.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Stworzone w nanoskali,

and they use proteins that are coded by the genetic level

wykorzystują białka zakodowane w genach

pozwalające budować te skomplikowane struktury.

that allow them to build these really exquisite structures.

Coś co moim zdaniem jest fascynujące -

So something I think is very fascinating is:

co jeśli można by dać życie

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

takim nieżyjącym strukturom

like batteries and like solar cells?

jak baterie i ogniwa słoneczne?

What if they had some of the same capabilities

Co jeśli miałyby te same zdolności

co muszle

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

w kontekście bycia zdolnym

do budowy naprawdę wyrafinowanych struktur

at room temperature and room pressure,

w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu

using nontoxic chemicals

używając nietoksycznych materiałów

and adding no toxic materials back into the environment?

i nie wydzielając toksycznych materiałów do środowiska?

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

To jest wizja o której myślałam.

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

Co jeśli można wyhodować baterię w szalce petriego?

Lub co jeśli można podać informację baterii

Or what if you could give genetic information to a battery

tak aby stała się lepsza

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

jako funkcję czasu

i zrobić to w przyjazny środowisku sposób?

in an environmentally friendly way?

Wracając do muszli

And so, going back to this abalone shell,

oprócz tego że jest nanostrukturą

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

fascynujące jest

when a male and female abalone get together,

gdy męska i żeńska muszle łączą się

they pass on the genetic information that says,

przekazują informację genetyczną

która mówi "Oto jak wytworzyć wyrafinowany materiał.

"This is how to build an exquisite material.

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

Jak zrobić to w warunkach normalnych

używając nietoksycznych materiałów."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Tak samo z glonami jednokomórkowymi mającymi szklaną strukturę.

which are glasseous structures.

Przy każdej replikacji glonów

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

przekazują geny mówiące

"Oto jak wytworzyć szkło w oceanie

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

które ma idealną nanostrukturę.

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

Możesz to robić w kółko."

Co jeśli można zrobić to samo

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

z ogniwem słonecznym lub baterią?

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

Mój ulubiony biomateriał to mój czterolatek.

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

Każdy kto ktokolwiek miał lub zna małe dziecko

wie, że to niesamowicie złożone organizmy.

they're incredibly complex organisms.

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

Jeśli spróbujecie je przekonać

do czegoś czego nie chcą, jest to trudne.

it's very difficult.

Gdy myślimy o technologiach przyszłości,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

myślimy o użyciu bakterii lub wirusa,

prostych organizmów.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Czy można je przekonać do pracy z nowymi narzędziami,

tak aby mogły zbudować strukturę

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

o którą mi chodzi?

Also, when we think about future technologies,

Chodzi tu o nowe technologie.

we start with the beginning of Earth.

Zacznijmy od początków Ziemii.

W zasadzie aż miliard lat minęło

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

zanim powstało na niej życie.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Bardzo szybko pojawiły się wielokomórcowce,

mogły replikować, prowadzić fotosyntezę

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

aby pozyskiwać energię.

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

Ale dopiero około 500 milionów lat temu

podczas epoki kambru,

during the Cambrian geologic time period --

organizmy morskie zaczęły tworzyć twarde materiały.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Przedtem były to gładkie, pierzaste struktury.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

W tym okresie

It was during this time that there was increased calcium,

były zwiększone ilości wapna, żelaza

iron and silicon in the environment,

oraz krzemu w środowisku.

and organisms learned how to make hard materials.

Organizmy nauczyły się tworzenia twardych materiałów.

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

W ten sposób

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

można przekonać biologię

do pracy z resztą układu okresowego.

Now, if you look at biology,

Jeśli chodzi o biologię

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

jest wiele struktur jak DNA czy przeciwciał

białek i rybosomów o których słyszeliście

you've heard about,

które są właśnie nanostrukturami.

that are nanostructured --

Więc natura już osiągnęła

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

naprawdę imponujące struktury w nanoskali.

What if we could harness them

Co jeśli moglibyśmy zaprząc je

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

i przekonać że nie są antygenem

podobnie jak robi to HIV?

Co jeśli moglibyśmy je przekonać

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

do budowy ogniwa słonecznego?

Oto parę przykładów: to kilka naturalych muszli

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

To naturalne biologicznie materiały.

The abalone shell here.

To muszla ślimaka słuchotka - jeśli ją podzielić

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

można zauważyć, że jest nanostrukturą.

Te okrzemki zbudowane są z tlenku krzemu

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

i są bakteriami magnetotaksyjnymi

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

które są wykorzystywane w małych magnesach o pojedynczej domenie używanych w nawigacji

What all these have in common

Ich cechą wspólną jest to,

is these materials are structured at the nano scale,

że wszystkie te materiały mają strukturę w nanoskali

i posiadają sekwencję DNA

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

która koduje łańcuch białek

that gives them the blueprint

i tworzy ich kopię

to be able to build these really wonderful structures.

aby możliwe było tworzenie tych niesamowitych struktur.

Now, going back to the abalone shell,

Wracając do muszli ślimaka słuchotka

- ślimak tworzy muszlę z białek.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Białka te są naładowane ujemnie.

They can pull calcium out of the environment,

I są w stanie pobierać wapń z otoczenia

tworząc najpierw warstwę wapnia, potem węglanów, znowu wapnia, i znowu węglanów.

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

Jest to sekwencja chemiczna taka jak w aminokwasach

It has the chemical sequences of amino acids which says,

i oznacza, "Tak właśnie należy budować tę strukturę.

"This is how to build the structure.

Oto sekwencja DNA, tutaj jest łańcuch białek

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

potrzebna do jej stworzenia."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Ciekawe co by się stało gdyby można było wziąć jakikolwiek materiał

what if you could take any material you wanted,

lub dowolny pierwiastek z układu okresowego

or any element on the periodic table,

i znaleźć odpowiadający mu ciąg DNA

and find its corresponding DNA sequence,

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

a następnie zakodować go według odpowiadającego mu ciągu białek

tak, aby powstała struktura, jednak nie taka jak muszla słuchotka

but not build an abalone shell --

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

zbudować coś co w naturze

nigdy przedtem nie wystąpiło.

Tak więc mamy tu układ okresowy.

And so here's the periodic table.

Uwielbiam układ okresowy.

I absolutely love the periodic table.

Co roku pokazuję nowym studentom Instytutu Technologii w Massachusetts

Every year for the incoming freshman class at MIT,

układ okresowy z napisem

I have a periodic table made that says,

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

"Witajcie w Instytucie Technologii w Massachusetts. Teraz jesteście w swoim żywiole."

(Laughter)

Na odwrocie tablicy jest plansza dotycząca aminokwasów

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

with the pH at which they have different charges.

i różnych poziomów PH, w których ich ładunek się zmienia.

And so I give this out to thousands of people.

I tak pokazuję to tysiącom osób.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Wiem, że napisane jest tam, że to Instytut Technologii w Massachusetts a my jesteśmy w Instytucie Technologii w Kalifornii

ale mam zawsze kilka dodatkowych jeśli ktoś chce go mieć.

but I have a couple extra if people want it.

Jestem szczęściarzem

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

bo Prezydent Obama odwiedził w tym roku moje laboratorium

w trakcie swojej wizyty w Instytucie Technologii w Massachusetts

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

i bardzo chciałam podarować mu układ okresowy.

Nie spałam przez całą noc i rozmawiałam z mężem

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

"W jaki sposób mam dać prezydentowi układ okresowy?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Co jeśli powie, "Hm, właściwie mam już jeden,"

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

albo "Znam go już na pamięć"?"

(Laughter)

W końcu przyszedł do mojego laboratorium

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

i rozejrzał się - to było wspaniałe spotkanie.

And then afterward, I said,

A potem powiedziałam

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

"Panie prezydencie, chciałabym panu dać układ okresowy

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

na wypadek gdyby nagle potrzebował pan obliczyć masę cząsteczkową."

(Laughter)

Pomyślałam że 'masa cząsteczkowa' brzmi znacznie mniej naukowo

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

niż masa molowa.

(Laughter)

A on spojrzał na planszę

And he looked at it and said,

i powiedział

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

"Dziękuję. Będę patrzył na niego okresowo."

(Laughter)

(Śmiech)

(Applause)

(Brawa)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

A później podczas swojego wykładu na temat czystej energii

he pulled it out and said,

wyciągnął go i powiedział

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

"A ludzie z Instytutu Technologii Massachusetts rozdają układy okresowe."

Więc właściwie nie powiedziałam wam

So basically what I didn't tell you

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

że 500 milionów lat temu organizmy zaczęły produkować materiały

ale zajęło im to około 50 milionów lat by dojść do wprawy.

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

%0 milionów lat zajęło im

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

jak stworzyć doskonałą muszlę ślimaka słuchotka.

Ciężko to sprzedać studentowi ostatniego roku.

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

"Mam świetny projekt - trwa 50 milionów lat."

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

Dlatego musieliśmy wykształcić sposób

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

by zrobić to szybciej.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Dlatego używamy wirusa ktory nie jest toksyczny

i nazywa się bakteriofag M13

jego zadaniem jest zainfekować bakterie.

whose job is to infect bacteria.

Ma on bardzo prostą strukturę DNA

Well, it has a simple DNA structure

do której można wniknąć, skopiować fragment i wkleić

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

w to miejsce dodatkowe DNA.

A to pozwala wirusowi

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

odzwierciedlać przypadkowe łańcuchy białkowe.

This is pretty easy biotechnology,

Taka biotechnologia jest całkiem prosta.

and you could basically do this a billion times.

Można to powtarzać właściwie miliardy razy.

So you can have a billion different viruses

I można w ten sposób uzyskać miliardy różnych wirusów

które genetycznie są identyczne

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

ale różnią się między sobą

tylko jedną sekwencją

on one sequence,

która koduje jedno białko.

that codes for one protein.

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

A teraz jeśli weźmiecie miliard wirusów

i umieścicie je w jednej kropli płynu

you can force them to interact with anything you want

możecie sprawić że wejdą w reakcję z każdym pierwiastkiem z układu okresowego.

on the periodic table.

Poprzez proces naturalnej selekcji

And through a process of selection evolution,

możesz wybrać jeden który robi dokładnie to co chcesz

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

np. tworzy baterię lub baterię słoneczną

like grow a battery or a solar cell.

Wirusy nie mogą się same rozmnażać, potrzebują żywiciela.

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

Jak tylko znajdziesz tego jednego wśród miliarda innych

Once you find that one out of a billion,

możesz nim zakazić bakterię

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

i w ten sposób stworzyć miliardy lub biliony kopii

of that particular sequence.

tej konkretnej sekwencji

The other thing that's beautiful about biology

A więc kolejna piękna rzecz w biologii

is that biology gives you really exquisite structures

to to, że daje nam wspaniałe struktury

które są ze sobą ściśle połączone.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Wirusy są długie i smukłe

and we can get them to express the ability

i możemy sprawić że zaczną wykazywać zdolność

to grow something like semiconductors

do wytwarzania czegoś na kształt półprzewodników

or materials for batteries.

lub materiałów do produkcji baterii.

Oto bateria o wysokiej mocy którą wyhodowaliśmy w moim laboratorium.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Sprawiliśmy że wirusy zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

tak więc jedna część wirusa chwyta nanorurkę węglową.

the other part of the virus has a sequence

Druga część natomiast ma sekwencję

z której można wyhodować materiał elektrodowy na baterię.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

A później podłącza się to do istniejącego kolektora.

And so through a process of selection evolution,

Tak więc poprzez proces naturalnej selekcji

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

przeszliśmy od wirusa który wytworzył baterię kiepskiej jakości

poprzez wirusa który stał się dobrą baterią

to a virus that made a good battery

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

aż do wirusa który dał początek baterii o rekordowo wysokiej mocy

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

a to wszystko w temperaturze pokojowej bez użycia specjalistycznej aparatury.

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

Bateria pojechała na konferencję prasową w Białym Domu.

Przyniosłam ją również tu.

and I brought it here.

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

Możecie ją zobaczyć w tej skrzyni - dostarcza energię do lampy LED.

Now if we could scale this,

Gdyby była możliwość powiększenia tego

you could actually use it to run your Prius,

można by tego używać do

napędzania samochodu

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

co jest moim marzeniem - jeździć samochodem napędzanym wirusem.

(Laughter)

Ale w rzeczywistości

But basically you can pull one out of a billion,

jest to szansa jedna na miliard.

and make lots of amplifications to it.

Można powielać je w nieskończoność.

Basically, you make an amplification in the lab,

Powielanie następuje w laboratorium.

Następnie zaczynają one gromadzić się samodzielnie

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

tworząc struktury podobne do baterii.

We're able to do this also with catalysis.

Jesteśmy w stanie to zrobić również w przypadku katalizy.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Oto przykład

fotokatalitycznego rozszczepienia wody.

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

I do czego byliśmy zdolni

to sprawienie, że wirus zaczął pobierać molekuły absorbujące barwnik

to basically take dye-absorbing molecules

i ustawić je na powierzchni wirusa

and line them up on the surface of the virus

tak by działały jak antena

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

i przekazywały energię przez cały wirus.

A później przekazuje ją do kolejnego genu

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

aby wytworzyć materiał nieorganiczny

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

który może być wykorzystany do rozszczepienia wody

na tlen i wodór

that can be used for clean fuels.

który z kolei ma zastosowanie w paliwach ekologicznych.

I brought an example of that with me today.

Przyniosłam przykład tego żeby wam dziś pokazać.

My students promised me it would work.

Moi studenci obiecali że zadziała.

These are virus-assembled nanowires.

Są to nanoprzewody zgromadzone za pomocą wirusów

Kiedy się skieruje na nie strumień światła widać jak puszczają bąbelki.

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

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

W tym przypadku widzicie bąbelki z tlenu które się wydostają.

(Applause)

Poprzez kontrolowanie genów

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

można kontrolować wiele materiałów wspomagających pracę urządzenia.

Ostatnim przykładem są ogniwa solarne.

The last example are solar cells.

Można to zrobić także z ogniwami solarnymi.

You can also do this with solar cells.

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

Sprawiliśmy że wirusy

zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe

and then grow titanium dioxide around them,

a następnie otaczać je dwutlenkiem tytanu -

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

w ten sposób sprawiając że elektrony przechodziły przez urządzenie.

And what we've found is through genetic engineering,

Odkryliśmy że poprzez inżynierię genetyczną

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

możemy zwiększyć

wydajność ogniw solarnych

to record numbers

do rekordowych poziomów

for these types of dye-sensitized systems.

jak dla takich systemów syntezujących barwniki.

And I brought one of those as well,

Przyniosłam też jedno

that you can play around with outside afterward.

żebyście mogli pobawić się tym na zewnątrz później.

Tak więc jest to ogniwo solarne oparte na wirusach.

So this is a virus-based solar cell.

Poprzez ewolucję i selekcję

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

sprawiliśmy że efektywność tego ogniwa wzrosła z 8%

do 11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Tak więc mam nadzieję że was przekonałam

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

do tego, że istnieje wiele wspaniałych, ciekawych rzeczy do nauczenia się

na temat tego jak natura tworzy materiały

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

i jak popycha je o krok dalej

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

by sprawdzić czy możecie tworzyć

lub chociaż korzystać z naturalnych sposobów tworzenia materiałów

by tworzyć rzeczy o których natura nawet nie śniła.

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

Thank you.

Dziękuję.

(Applause)