Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Angela Belcher: Usando a Natureza para cultivar baterias.

Tradutor: Paulo Melillo Revisor: Fers Gruendling

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

Eu pensei que deveria falar um pouco sobre como a natureza faz materiais.

I brought along with me an abalone shell.

Eu trouxe comigo uma concha de um abalone.

Esta concha do abalone é um compósito biológico

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

que tem 98% de sua massa constituída por carbonato de cálcio

and two percent by mass protein.

e 2%, por massa protéica.

No entanto, ele é 3.000 vezes mais resistente

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

do que seu equivalente geológico.

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

E muitas pessoas podem usar estruturas como a concha do abalone

como giz.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Eu tenho sido fascinada pelo modo como a natureza faz os materiais

e existem muitos segredos

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

de como eles fazem tão refinado trabalho.

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

Parte dele é que estes materiais

são estruturas macroscópicas,

mas são formados na escala nanométrica.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Eles são formados na escala nanométrica

and they use proteins that are coded by the genetic level

e eles usam proteínas que são codificadas pelo nível genético

isto os permite construir estas estruturas realmente refinadas.

that allow them to build these really exquisite structures.

Então, algo que eu penso ser muito fascinante

So something I think is very fascinating is:

é... e se você pudesse dar vida

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

a estruturas inanimadas,

like batteries and like solar cells?

tais como pilhas e células fotoelétricas?

What if they had some of the same capabilities

E se elas tivessem algumas das mesmas aptidões

que a concha do abalone tem,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

em termos de serem capazes

de gerarem estruturas realmente refinadas

at room temperature and room pressure,

à temperatura e pressão ambientais,

using nontoxic chemicals

usando produtos químicos não-tóxicos

and adding no toxic materials back into the environment?

e devolvendo ao ambiente estes materias não-tóxicos?

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

Pois bem, esta é a visão que tenho tido das coisas.

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

Então, e se você pudesse criar uma pilha numa placa de Petri?

Ou ainda, se você pudesse incorporar informação genética à uma pilha

Or what if you could give genetic information to a battery

de modo que ela pudesse se tornar mais eficiente

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

em função do tempo,

e fazer tudo isto de forma ecologicamente sustentável?

in an environmentally friendly way?

Enfim, retornando à concha do abalone,

And so, going back to this abalone shell,

como se não bastasse ela ser nanoestruturada,

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

algo fascinante acontece

when a male and female abalone get together,

quando um macho e uma fêmea abalone se encontram,

they pass on the genetic information that says,

eles passam adiante informação genética

que diz: "Assim é como se constrói um material refinado.

"This is how to build an exquisite material.

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

Aqui está como fazê-lo à temperatura e pressão ambientais,

usando materiais inofensivos."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

O mesmo com as diatomáceas, que são mostradas aqui, e que são estruturas vítreas.

which are glasseous structures.

Todas as vezes que as diatomáceas replicam,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

elas transmitem informações genéticas que dizem o seguinte:

"Eis aqui como gerar vidro... no oceano

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

e de forma perfeitamente nanoestruturada.

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

E você pode fazer o mesmo, repetidas vezes."

Então, e se você pudesse fazer a mesma coisa

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

com uma célula fotoelétrica ou com uma pilha?

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

Eu gosto de dizer que o meu biomaterial favorito são minhas crianças de quatro anos de idade.

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

Alguém que já teve, ou conhece, crianças pequenas

sabem que elas são organismos incrívelmente complexos.

they're incredibly complex organisms.

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

E isso, porque se você quiser convencê-las

a fazerem algo que elas não querem fazer, é muito difícil.

it's very difficult.

Então, quando nós pensamos em tecnologias futuras,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

nós pensamos, na verdade, em usar bactérias e vírus,

organismos mais simples.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Você pode convencê-los a trabalhar com uma nova caixa de ferramentas,

assim, eles poderiam gerar uma estrutura

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

que seria importante para mim.

Also, when we think about future technologies,

Além disso, nós pensamos sobre as tecnologias futuras.

we start with the beginning of Earth.

Começamos pela formação da Terra.

Basicamente, levou um bilhão de anos

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

para surgir vida na Terra.

And very rapidly, they became multi-cellular,

E muito rapidamente, ela se tornou multicelular,

eles puderam replicar, eles puderam usar a fotossíntese

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

como meio de obtenção de sua energia.

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

Mas isto foi até cerca de 500 milhões de anos atrás --

durante o era geológica Cambriana --

during the Cambrian geologic time period --

quando os organismos no oceano começaram a fazer materiais resistentes.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Antes disso, todos eles tinham estrutruras macias e fofas.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

E foi neste período

It was during this time that there was increased calcium,

que ocorreu um aumento de cálcio e ferro

iron and silicon in the environment,

e sílica no ambiente.

and organisms learned how to make hard materials.

E os organismos aprenderam a fazer materias resistentes.

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

E é isto o que eu gostaria de ser capaz de fazer --

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

convencer a biologia

a trabalhar com os demais elementos da tabela periódica.

Now, if you look at biology,

Pois bem, quando você olha para a biologia,

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

existem muitas estruturas como o DNA, anticorpos,

proteínas e ribossomos, que vocês ouviram falar

you've heard about,

que já são nanoestruturados.

that are nanostructured --

Então, a natureza já nos deu

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

estruturas realmente refinadas na escala nanométrica.

What if we could harness them

E se nós pudéssemos aproveitá-las

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

e convencê-las a ser não um anticorpo

ou a não fazer como o HIV?

Mas, se pudéssemos convencê-las

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

a gerar células fotoelétricas para nós?

Eis aqui alguns exemplos: estas são algumas conchas naturais.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Existem aqui materias biológicos naturais.

The abalone shell here.

Aqui, a concha do abalone -- e se você quebrá-la,

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

poderá observar o fato de que ela é nanoestruturada.

Estas são diatomáceas constituídas por SiO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

e elas são bactérias magnetotáxicas

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

que fazem pequenos ímãs de domínio único, usados para orientação.

What all these have in common

O que todos eles têm em comum

is these materials are structured at the nano scale,

é que estes materiais são montados em escala nanométrica

e possuem uma sequência de DNA

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

que codifica uma sequência protéica,

that gives them the blueprint

que os fornece o padrão de montagem

to be able to build these really wonderful structures.

necessário para construir estas estruturas realmente maravilhosas.

Now, going back to the abalone shell,

Agora, retornando para a concha do abalone,

o abalone faz esta concha porque ele tem estas proteínas.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Estas proteínas são bem carregadas negativamente.

They can pull calcium out of the environment,

E elas podem assimilar o cálcio do ambiente,

montam uma camada de cálcio, depois uma de carbonato, cálcio e carbonato.

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

Elas têm as sequências químicas de aminoácidos

It has the chemical sequences of amino acids which says,

que dizem: "Assim é que se constrói a estrutura.

"This is how to build the structure.

Eis aqui a sequência de DNA, eis aqui a seqüência de proteínas

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

para que isto seja feito."

in order to do it."

So an interesting idea is,

E então, uma ideia interessante é: e se você pudesse pegar qualquer material que você quisesse,

what if you could take any material you wanted,

ou qualquer elemento da tabela periódica,

or any element on the periodic table,

e encontrar sua sequência de DNA correspondente,

and find its corresponding DNA sequence,

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

em seguida, codificá-la em uma sequência protéica correspondente,

para criar uma estrutura, mas não uma concha de abalone --

but not build an abalone shell --

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

criar algo que, por meio da natureza,

ainda nunca houve a oportunidade de se trabalhar com ela.

E então, eis aqui a tabela periódica.

And so here's the periodic table.

E eu absolutamente amo a tabela periódica.

I absolutely love the periodic table.

Todos os anos, na aula inagural para os calouros do MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

Eu tenho pronta uma tabela periódica que diz:

I have a periodic table made that says,

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

"Bem-vindo ao MIT. Agora você está em seu elemento."

(Laughter)

E você a vira, e aqui estão aminoácidos

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

with the pH at which they have different charges.

com os valores de pH nos quais eles possuem diferentes cargas.

And so I give this out to thousands of people.

E eu também distribuo isto para milhares de pessoas.

And I know it says MIT and this is Caltech,

E eu sei que ela tem escrito MIT, e aqui é o Caltech...

mas eu tenho algumas extras, caso alguém queira.

but I have a couple extra if people want it.

E eu fiquei realmente feliz

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

em receber a visita do presidente Obama em meu laboratório, este ano,

em sua visita ao MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

e eu realmente queria dar-lhe uma tabela periódica.

Então, na noite anterior eu fiquei acordada e perguntei ao meu marido:

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

"Como é que eu faço para dar, para o presidente Obama, uma tabela periódica?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

E se ele disser: 'Ah, mas eu já tenho uma'

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

ou então: 'Eu já memorizei ela toda'?"

(Laughter)

E então, ele veio até meu laboratório

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

viu os arredores -- foi uma grande visita.

And then afterward, I said,

E então, eu finalmente disse:

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

"Sir, eu gostaria de dar-lhe a tabela periódica

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

caso o senhor se encontre em apuros e precise calcular um peso molecular."

(Laughter)

E imaginei que o termo 'peso-molecular' soaria menos 'nerd'

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

do que 'massa molar'.

(Laughter)

Então, ele olhou para ela

And he looked at it and said,

e disse:

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

"Obrigado. Eu a consultarei periodicamente."

(Laughter)

(Risos)

(Applause)

(Aplausos)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

E posteriormente, em uma palestra que ele deu sobre energias limpas,

he pulled it out and said,

ele a tirou e disse:

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

"E as pessoas no MIT, distribuem tabelas periódicas."

Então, basicamente o que eu ainda não lhes disse

So basically what I didn't tell you

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

é que cerca de 500 milhões de anos atrás, os organinsmos começaram a sintetizar materiais,

mas levaram cerca de 50 milhões de anos para ficarem bons nisto.

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

Eles levaram cerca de 50 milhões de anos

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

aprendendo como fazer, como aperfeiçoar aquela concha do abalone.

Ei, isto é 'difícil de vender' para um estudante de pós-graduação.

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

"Eu tenho este projeto fantástico -- 50 milhões de anos."

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

E então, nós temos que desenvolver um modo

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

de fazer isto mais rapidamente.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

E então, nós usamos um vírus, um vírus não-tóxico

chamado 'Bacteriófago M13'

que tem como trabalho infectar bactérias.

whose job is to infect bacteria.

Bem, ele tem uma estrutura de DNA simples

Well, it has a simple DNA structure

que você pode vir, cortar e colar

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

a ela seqüências adicionais de DNA.

E, fazendo-se isto, permite-se ao vírus

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

que ele expresse seqüências protéicas aleatórias.

This is pretty easy biotechnology,

E isto é uma biotecnologia muito fácil.

and you could basically do this a billion times.

E você pode basicamente fazer isto um bilhão de vezes.

So you can have a billion different viruses

E assim você pode ir e ter um bilhão de diferentes vírus

que são todos geneticamente idênticos

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

mas diferem, entre si, em suas extremidades,

em uma única seqüência

on one sequence,

que codifica uma proteína apenas.

that codes for one protein.

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

Agora, se você pegar todo o bilhão de vírus

e você pode colocá-los em uma gota de um líquido,

you can force them to interact with anything you want

você pode forçá-los a interagir com qualquer coisa que você queria da tabela periódica.

on the periodic table.

E através de um processo de seleção evolutiva,

And through a process of selection evolution,

você pode pinçar um em um bilhão, e que faz algo que você gostaria que ele fizesse,

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

como construir uma pilha ou uma células fotoelétrica.

like grow a battery or a solar cell.

Então, basicamente, os vírus não se replicam sozinhos, eles precisam de um hospedeiro.

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

Uma vez que você encontre um em um bilhão,

Once you find that one out of a billion,

você o introduz em uma bactéria,

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

e você faz milhões e bilhões de cópias

of that particular sequence.

daquela seqüência particular.

The other thing that's beautiful about biology

E assim, a outra coisa que é bonita sobre a biologia

is that biology gives you really exquisite structures

é que a biologia lhe oferece estruturas realmente requintadas

com boas escalas de ligação.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

e estes vírus são compridos e magrelos,

and we can get them to express the ability

e nós podemos fazê-los expressar a capacidade

to grow something like semiconductors

de gerar algo como semicondutores

or materials for batteries.

ou materiais para baterias.

Agora, esta é uma pilha de alta-potência criada no meu laboratório.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Nós construímos um vírus capaz de pegar nanotubos de carbono.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Pois bem, uma parte do vírus agarra o nanotubo de carbono.

the other part of the virus has a sequence

E a outra parte do vírus tem uma seqüência

que pode gerar um eletrodo para uma pilha.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

E depois ele o conecta, por si, ao coletor de corrente.

And so through a process of selection evolution,

E assim, através de um processo de seleção evolutiva,

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

nós partimos de um vírus que fazia uma bateria horrível

para um vírus que fazia uma boa bateria,

to a virus that made a good battery

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

(e depois) para um vírus que fazia uma bateria recordista, uma pilha de alta-potência

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

tudo isto feito à temperatura ambiente, basicamente sobre a bancada (do laboratório)

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

E aquela pilha foi para a Casa Branca, para uma conferência de imprensa.

Eu trouxe ela aqui.

and I brought it here.

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

Você pode vê-la neste estojo -- ela que está acendendo este LED.

Now if we could scale this,

Agora, se nós pudermos escalonar isto,

you could actually use it to run your Prius,

você poderia, na verdade, usá-la

para fazer funcionar seu 'Prius',

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

que é o meu sonho -- ser capaz de dirigir um carro movido a vírus.

(Laughter)

Basicamente --

But basically you can pull one out of a billion,

você pode pegar um em meio a um bilhão.

and make lots of amplifications to it.

Você pode fazer inúmeras amplificações dele.

Basically, you make an amplification in the lab,

Basicamente, você faz uma amplificação no laboratório.

E depois você consegue que ele faça a auto-montagem

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

de uma estrutura como uma pilha.

We're able to do this also with catalysis.

Nós podemos fazer isto também através de catálise.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Este é um exemplo

de separação fotocatalítica da água.

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

E o que nós fomos capazes de fazer

foi programar um vírus para basicamente incorporar moléculas absorventes de corante

to basically take dye-absorbing molecules

e alinhá-las sobre a superfície do vírus

and line them up on the surface of the virus

então, isto age como uma antena,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

e você consegue uma transferência de energia ao longo do vírus.

E depois, nós inserimos um segundo gene

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

para fazer crescer um material inorgânico

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

que pode ser usado para separar água

em oxigênio e hidrogênio,

that can be used for clean fuels.

que podem ser usados como combustíveis limpos.

I brought an example of that with me today.

E eu trouxe um exemplo disso comigo hoje.

My students promised me it would work.

Meus alunos me prometeram que isto funcionaria.

These are virus-assembled nanowires.

Estes são nano-fios montados por vírus.

Quando você joga luz sobre eles, você pode vê-los borbulhando.

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

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

Neste caso, você está vendo bolhas de oxigênio saindo.

(Applause)

E, basicamente, manipulando os genes,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

você pode controlar múltiplos materiais para melhorar o desempenho do seu aparelho.

O último exemplo são as células fotoelétricas.

The last example are solar cells.

Você também pode fazer isto com células fotoelétricas.

You can also do this with solar cells.

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

Nós fomos capazes de engenhar os vírus

para que eles pegassem nanotubos de carbono

and then grow titanium dioxide around them,

e depois, depositassem dióxido de titânio entorno deles --

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

e usar como meio para os elétrons passarem através do aparelho.

And what we've found is through genetic engineering,

E o que nós descobrimos é que, através da engenharia genética,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

nós podemos realmente aumentar

a eficiência destas células fotoelétricas

to record numbers

para gravar números

for these types of dye-sensitized systems.

para estes tipos de sistemas sensibilizados por corantes.

And I brought one of those as well,

E eu trouxe também um destes

that you can play around with outside afterward.

para que vocês possam depois brincar por aí.

Então, esta é uma célula fotoelétrica baseada em um vírus.

So this is a virus-based solar cell.

Através de evolução e seleção,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

nós a levamos de uma célula fotoelétrica com eficiência de 8%

para uma célula com eficiência de 11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Pois bem, eu espero ter convencido vocês

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

de que existem muitas coisas admiráveis e interessantes para se aprender

sobre como a natureza faz materiais --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

e levar isto para um próximo passo

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

para ver se você pode forçar,

ou se você pode tirar proveito de como a natureza faz materiais,

para fazer coisas que a natureza ainda nem sonhou em fazer.

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

Thank you.

Obrigada.

(Applause)