Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Tradutor: Pedro Pimenta Revisora: Jáfia Câmara

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

Pensei em falar-vos um pouco de como a Natureza cria os materiais.

I brought along with me an abalone shell.

Trouxe comigo uma concha de haliote.

Esta concha é um material "biocompósito":

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

98% da massa é carbonato de cálcio

and two percent by mass protein.

e os restantes 2% são proteínas.

Com esta constituição, é 3000 vezes mais resistente

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

do que o carbonato de cálcio simples.

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

E muitas pessoas usam estruturas como estas conchas,

como o giz.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Fascina-me saber como a Natureza cria estes materiais,

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

e há muitos segredos para os criar de forma tão complexa.

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

Um aspecto relevante é que estes materiais

apresentam uma estrutura macroscópica,

mas o processo de formação ocorre a uma "nano-escala".

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Estes materiais formam-se a uma "nano-escala",

and they use proteins that are coded by the genetic level

e usam proteínas, codificadas a nível genético,

que lhes permite a criação destas estruturas complexas.

that allow them to build these really exquisite structures.

So something I think is very fascinating is:

Uma coisa que considero fascinante

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

é o que aconteceria se pudéssemos dar vida a estruturas não-vivas,

como pilhas, baterias, e células fotovoltaicas?

like batteries and like solar cells?

What if they had some of the same capabilities

Como seria se elas tivessam as mesmas capacidades

que a concha de haliote,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

em termos de serem capazes de construir estruturas complexas

at room temperature and room pressure,

à pressão e temperatura ambientes,

using nontoxic chemicals

usando materiais não-tóxicos

and adding no toxic materials back into the environment?

e não poluindo o ambiente com resíduos tóxicos?

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

Esta é a perspectiva que tenho aprofundado.

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

E se fosse possível fazer crescer uma bateria numa placa de Petri?

Or what if you could give genetic information to a battery

Ou se fosse possível passar informação genética para uma bateria,

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

de forma a que ela pudesse melhorar o desempenho ao longo do tempo

e fazer isso de forma amiga do ambiente?

in an environmentally friendly way?

And so, going back to this abalone shell,

Assim, voltando a esta concha de haliote,

além da sua estrutura "nanoscópica",

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

outro aspecto fascinante

when a male and female abalone get together,

é que quando um haliote macho e uma haliote fêmea

they pass on the genetic information that says,

passam a informação genética,

dizem: "É assim que se constrói um material complexo.

"This is how to build an exquisite material.

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

"É assim que se faz, à pressão e temperatura ambientes,

"utilizando materiais não tóxicos".

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

O mesmo se passa com as diatomáceas, que são estruturas vítreas.

which are glasseous structures.

Sempre que uma diatomácea se reproduz,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

a sua informação genética diz:

"Aqui está a forma de construir vidro no oceano

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

"com uma nano-estrutura perfeitamente definida.

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

"E este processo é transferível, vezes sem conta."

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

E se fosse possível fazer a mesma coisa

com uma célula fotovoltaica ou com uma bateria?

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

Gosto de dizer que o meu biomaterial preferido é o meu filho de 4 anos.

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

Todos os que conhecem crianças pequenas

they're incredibly complex organisms.

sabem que as crianças são organismos muito complexos.

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

É muito difícil convencê-los

a fazer algo que não queiram

it's very difficult.

Assim, quando pensamos em tecnologias do futuro,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

e pensamos em utilizar bactérias, e e vírus, organismos simples.

simple organisms.

Conseguiremos convencê-los a trabalhar com outras matérias-primas,

Can you convince them to work with a new toolbox,

para construírem uma estrutura

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

que seja importante para nós?

Also, when we think about future technologies,

Para projectar as tecnologias do futuro

we start with the beginning of Earth.

baseamo-nos no nascimento do nosso planeta, a Terra.

Foram necessários mil milhões de anos

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

para que a vida surgisse na Terra.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Rapidamente, tornou-se multi-celular,

pôde reproduzir-se,

they could replicate, they could use photosynthesis

utilizou a fotossíntese como forma de obter energia

as a way of getting their energy source.

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

mas foi só há cerca de 500 milhões de anos

-- durante o Câmbrico --

during the Cambrian geologic time period --

que os organismos marinhos começaram a produzir materiais rígidos.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Antes disso, os organismos marinhos apresentavam estruturas moles e fofas.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Foi durante esse período,

It was during this time that there was increased calcium,

com grandes quantidades de cálcio, ferro

iron and silicon in the environment,

e silício disponíveis no ambiente,

and organisms learned how to make hard materials.

que os organismos vivos aprenderam a produzir materiais rígidos.

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

E é isto que eu pretendo fazer

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

-- convencer os organismos vivos

a trabalhar com o resto da Tabela Periódica.

Now, if you look at biology,

Na perspectiva da Biologia,

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

há muitas estruturas como o ADN e anticorpos,

proteínas e ribossomas -- de que já devem ter ouvido falar --

you've heard about,

that are nanostructured --

com uma estrutura "nanoscópica";

A Natureza apresenta muitas alternativas

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

de estruturas nanoscópicas complexas.

What if we could harness them

E se fosse possível "domesticá-las"

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

convencê-las a não serem anticorpos

que provocam algo indesejado como a SIDA/HIV?

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

E se as conseguíssemos convencer

a construir uma célula solar para nós?

Here are some examples.

Aqui estão alguns exemplos: estas são conchas naturais

Natural shells, natural biological materials.

The abalone shell here.

materiais biológicos

A concha do haliote -- se nós a quebrarmos,

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

podemos constatar a sua nano-estrutura.

There's diatoms made out of SiO2,

Estas diatomáceas são essencialmente feitas de SiO2

and there are magnetotactic bacteria

e estas são bactérias com propriedades magnéticas

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

que podem ser utilizadas para a navegação.

What all these have in common

Todas estas conchas têm em comum

is these materials are structured at the nano scale,

o facto de apresentarem uma nanoestrutura

e terem uma sequência de ADN

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

que codifica uma sequência de proteínas

that gives them the blueprint

que lhes dá um plano, uma ordem de construção,

to be able to build these really wonderful structures.

que lhes permite contruir estas estruturas maravilhosas.

Now, going back to the abalone shell,

Regressando à concha de haliote,

the abalone makes this shell by having these proteins.

o haliote produz estas conchas com proteínas

These proteins are very negatively charged.

Estas proteínas têm uma carga eléctrica negativa

They can pull calcium out of the environment,

o que lhes permite "puxar", absorver, o cálcio do seu ambiente

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

e criar alternadamente camadas de cálcio / carbonato / cálcio / carbonato, etc...

It has the chemical sequences of amino acids which says,

O haliote tem uma sequência de aminoácidos

"This is how to build the structure.

que diz: "É assim que se constrói a concha.

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

"Aqui está a sequência de ADN, aqui está a sequência de proteínas

in order to do it."

So an interesting idea is,

"para construir a concha".

what if you could take any material you wanted,

O que aconteceria se fosse possível escolher qualquer material,

or any element on the periodic table,

ou qualquer elemento da Tabela Periódica,

and find its corresponding DNA sequence,

encontrar a sua sequência de ADN,

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

codificar a respectiva sequência de proteínas

para construir uma estrutura

but not build an abalone shell --

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

-- não uma concha mas algo que nunca foi produzido --

de forma natural?

And so here's the periodic table.

Aqui está a Tabela Periódica.

I absolutely love the periodic table.

Acho a Tabela Periódica uma maravilha!

Every year for the incoming freshman class at MIT,

Todos os anos, para receber os Caloiros no MIT,

tenho 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 estás no teu elemento." (Risos)

(Laughter)

Do outro lado, uma tabela que indica

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

with the pH at which they have different charges.

as cargas dos aminoácidos para diferentes valores de pH.

And so I give this out to thousands of people.

E distribuo estas Tabelas a milhares de alunos.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Eu sei que estas Tabelas dizem "MIT", e que nós estamos no "CalTech",

but I have a couple extra if people want it.

mas tenho mais algumas, se alguém as quiser...

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

Tive muita sorte

por o Presidente Obama visitar o meu laboratório, este ano.

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

Quando ele visitou o MIT,

eu queria mesmo dar-lhe uma Tabela Periódica.

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

Por isso, durante a noite, perguntei ao meu marido:

"How do I give President Obama a periodic table?

"-- Como vou dar uma Tabela Periódica ao Presidente Obama?"

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

E se ele me diz: "- Oh, eu já tenho uma..."

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

Ou: "-- Já a memorizei, obrigado!" (Risos)

(Laughter)

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

No dia seguinte, o Presidente Obama visitou o meu laboratório,

And then afterward, I said,

-- foi uma ótima visita! --

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

e, no final, eu disse: "Sr. Presidente, quero dar-lhe uma Tabela Periódica

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

"para numa dificuldade calcular o peso molecular".

(Laughter)

(Risos)

Pensei que "peso molecular" soaria menos técnico

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

do que "massa molecular".

(Laughter)

(Risos)

And he looked at it and said,

Ele olhou para a Tabela Periódica

e disse: "-- Obrigado. Vou olhar para ela periodicamente."

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

(Laughter)

(Risos)

(Applause)

(Aplausos)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Mais tarde, o Presidente fez um discurso sobre "energia limpa",

he pulled it out and said,

mostrou a Tabela Periódica e disse:

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

"-- E as pessoas do MIT oferecem Tabelas Periódicas". (Risos)

So basically what I didn't tell you

O que eu não vos disse

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

é que os organismos começaram a construir conchas há 500 milhões de anos,

mas demoraram cerca de 50 milhões de anos para serem bem sucedidos.

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

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

Demoraram cerca de 50 milhões de anos a conseguirem perfeição

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

na produção desta concha de haliote.

Isto é difícil de explicar a um aluno: "este projecto é para fazer

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

"em 50 milhões de anos"... (Risos)

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

Temos que desenvolver uma forma

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

de fazê-lo mais rapidamente.

Utilizamos um vírus inofensivo

chamado bacteriófago M13,

cuja função é infectar bactérias,

whose job is to infect bacteria.

que tem uma estrutura de ADN simples

Well, it has a simple DNA structure

que podemos cortar, e onde podemos inserir porções adicionais.

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

Ao fazê-lo, permitimos ao vírus

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

codificar estruturas aleatórias de proteínas.

This is pretty easy biotechnology,

Esta é uma forma muito básica de biotecnologia.

and you could basically do this a billion times.

Podemos fazer isto milhões de vezes.

So you can have a billion different viruses

Podemos ter milhões de variantes do mesmo vírus,

that are all genetically identical,

geneticamente idênticas,

but they differ from each other based on their tips,

diferindo uma das outras num pequeno detalhe,

numa sequência

on one sequence,

que codifica uma proteína.

that codes for one protein.

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

Se tomarmos todas estas variantes,

as colocarmos numa gota de um meio de crescimento,

you can force them to interact with anything you want

podemos forçá-las a interagir com os elementos que quisermos

on the periodic table.

e, através de um processo de selecção, de evolução,

And through a process of selection evolution,

podemos escolher de entre um milhão o que faz o que nós queremos,

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

como produzir uma bateria ou uma célula foto-voltaica.

like grow a battery or a solar cell.

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

Para que os vírus se possam replicar, eles precisam de um hospedeiro.

Once you find that one out of a billion,

Assim que identificamos o vírus, podemos usá-lo para infectar uma bactéria,

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

e fazer milhões e milhões de cópias dessa sequência em particular.

of that particular sequence.

The other thing that's beautiful about biology

Uma coisa maravilhosa na biologia

is that biology gives you really exquisite structures

é que produz estruturas complexas

com ligações entre diferentes escalas.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Estes vírus são longos e finos

and we can get them to express the ability

pelo que podemos utilizá-los

to grow something like semiconductors

para produzir materiais como semicondutores

or materials for batteries.

ou componentes para baterias

Esta é uma bateria que eu fiz crescer 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.

Criámos um vírus para montar nanotubos de carbono.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

De cada vez que o vírus encontra um nanotubo de carbono,

the other part of the virus has a sequence

a outra parte do vírus tem uma sequência

that can grow an electrode material for a battery,

que produz um material para o eléctrodo de uma bateria

and then it wires itself to the current collector.

e que se liga ao colector.

And so through a process of selection evolution,

Através de um processo de selecção,

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

conseguimos partir de um vírus que fazia uma bateria tosca

e chegar a um vírus que faz uma boa bateria;

to a virus that made a good battery

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

uma bateria capaz de bater recordes, de alto desempenho,

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

construída a temperatura ambiente, numa bancada de laboratório.

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

Essa bateria foi à Casa Branca, para uma conferência de imprensa,

and I brought it here.

e eu trouxe-a aqui, hoje.

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

Podem vê-la nesta caixa -- produz electricidade para manter o LED aceso.

Now if we could scale this,

Se fôssemos capazes de aumentar a escala desta bateria,

you could actually use it to run your Prius,

poderíamos usá-la para alimentar um Prius

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

-- é o meu sonho -- conduzir um carro eléctrico alimentado por um vírus.

(Laughter)

(Risos)

But basically you can pull one out of a billion,

Essencialmente, é este o princípio:

podemos escolher um vírus num milhão

and make lots of amplifications to it.

e produzir inúmeras cópias...

Basically, you make an amplification in the lab,

Podemos amplificar o processo,

criar condições para auto-organização

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

numa estrutura como uma bateria.

We're able to do this also with catalysis.

Somos capazes de fazer isto com catalizadores.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Isto é um exemplo

de um separador catalítico de água.

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

O que fomos capazes de fazer

foi criar um vírus que absorve moléculas de pigmentos

to basically take dye-absorbing molecules

armazenando-as na superfície do vírus

and line them up on the surface of the virus

o que funciona como uma antena

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

conseguindo um mecanismo de transferência de energia.

Associamos um segundo gene

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

que permite acumular um material inorgânico

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

que pode ser utilizado para separar a água nos seus componentes,

oxigénio e hidrogénio,

that can be used for clean fuels.

e que pode ser utilizado para produzir combustível limpo.

I brought an example of that with me today.

Trouxe um exemplo comigo, hoje.

My students promised me it would work.

Os meus estudantes garantiram-me que iria funcionar.

These are virus-assembled nanowires.

Isto são nanofilamentos criados por vírus.

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

Quando os iluminamos, podemos vê-los borbulhar

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

-- neste caso, vemos bolhas de oxigénio.

(Applause)

(Aplausos)

Basically, by controlling the genes,

Através da manipulação dos genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

podemos controlar muitos materiais para melhorar o desempenho

dos mais diversos dispositivos.

The last example are solar cells.

O último exemplo: células foto-voltaicas, com que também podemos fazer isto.

You can also do this with solar cells.

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

Conseguimos manipular vírus para utilizarem nanotubos de carbono

and then grow titanium dioxide around them,

e fazerem crescer dióxido de titânio à volta deles,

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

o que permite obter electrões livres.

And what we've found is through genetic engineering,

Descobrimos que, através de manipulação genética,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

foi aumentar a eficiência destas células foto-voltaicas

to record numbers

para valores recorde

for these types of dye-sensitized systems.

para estes tipos de sistemas.

And I brought one of those as well,

Cá está uma célula desse tipo

that you can play around with outside afterward.

que poderemos experimentar lá fora, daqui a pouco.

So this is a virus-based solar cell.

Uma célula foto-voltaica produzida por vírus.

Through evolution and selection,

Através de manipulação e selecção,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

conseguimos levar uma célula foto-voltaica com 8% de eficiência,

to an 11 percent efficiency solar cell.

a apresentar 11% de eficiência.

So I hope that I've convinced you

Espero tê-los convencido

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

de que há um grande número de coisas interessantíssimas a aprender

about how nature makes materials,

sobre como alguns materiais são produzidos na Natureza

and about taking it the next step,

e, no passo seguinte,

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

compreender se somos capazes de usar a forma

como a Natureza produz estes materiais,

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

para produzir materiais com que a Natureza nunca sonhou.

Thank you.

Obrigada! (Aplausos)

(Applause)