Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Traducător: Petre Alexandru Popescu Corector: Ariana Bleau Lugo

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

Vă voi vorbi despre modul în care natura confecţionează materiale.

I brought along with me an abalone shell.

Am adus o scoică abalone.

E formată dintr-un material biocompozit

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

cu 98% din masă: carbonat de calciu

and two percent by mass protein.

și 2% din masă: proteine.

Dar e de 3000 de ori mai dură decât echivalentul său geologic.

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

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

Mulţi ar folosi asemenea structuri,

chimic identice cu creta.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Sunt fascinată de felul în care natura creează materiale.

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

Sunt multe secrete referitoare la cum reuşesc să le realizeze,

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

mai ales din cauză că au o structură macroscopică,

dar sunt create la scară nanometrică.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Sunt create la scară nanometrică,

and they use proteins that are coded by the genetic level

folosesc proteine programate genetic

care le permit să creeze aceste structuri deosebite.

that allow them to build these really exquisite structures.

Așadar, o întrebare fascinantă

So something I think is very fascinating is:

ar fi dacă am putea da viață

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

structurilor fără viață,

like batteries and like solar cells?

ca bateriile și celulele solare?

What if they had some of the same capabilities

Ce-ar fi să aibă abilități asemănătoare

cu o scoică abalone,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

să fie capabilă

să construiască structuri extreme

at room temperature and room pressure,

la temperatură și presiune obișnuită,

using nontoxic chemicals

folosind substanțe non-toxice

and adding no toxic materials back into the environment?

și returnând materiale non-toxice înapoi în mediu?

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

Deci asta e viziunea pe care am avut-o.

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

Ce-ar fi să putem cultiva o baterie într-un vas Petri?

Sau să furnizăm informație genetică unei baterii

Or what if you could give genetic information to a battery

astfel încât să devină efectiv

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

mai bună în timp,

și s-o facem într-o manieră favorabilă mediului?

in an environmentally friendly way?

Revenind la această scoică abalone,

And so, going back to this abalone shell,

pe lângă faptul că e nanostructurată,

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

e fascinant că atunci când

when a male and female abalone get together,

un mascul și o femelă abalone se împreună

they pass on the genetic information that says,

își transmit informații genetice

care codifică modul de-a construi un material complex.

"This is how to build an exquisite material.

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

"Iată cum se face la temperaturi și presiuni obișnuite,

folosind materiale non-toxice."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

La fel diatomeele care stălucesc aici -- aceste structuri transparente.

which are glasseous structures.

De fiecare dată când diatomeele se multiplică,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

ele transmit informație genetică care spune,

"Iată cum să construiești în ocean

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

sticlă nano-structurată perfect.

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

Și poți face asta la nesfârșit."

Ce-ar fi să putem face același lucru

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

cu o celulă solară sau o baterie?

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

Îmi place să spun ca bio-materialul meu favorit e copilul meu de patru ani.

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

Dar cine a avut vreodată, sau știe copii mici,

știe că sunt organisme incredibil de complexe.

they're incredibly complex organisms.

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

Dacă vrei să-i convingi

să facă ceva ce nu vor, e foarte greu.

it's very difficult.

Deci când ne gândim la tehnologiile viitorului,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

ne gândim la folosirea bacteriilor și virusurilor,

organisme simple.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Pot fi convinse să lucreze cu mijloace noi,

să construiască o structură

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

importantă pentru mine?

Also, when we think about future technologies,

Ne gândim la tehnologiile viitorului.

we start with the beginning of Earth.

Începem cu formarea Pământului.

În principiu, a durat un miliard de ani

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

să apară viață unicelulară pe Pământ.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Rapid ea a devenit multicelulară,

s-a înmulțit, a folosit fotosinteza

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

ca mod de-a procesa energia.

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

Dar nu mai devreme de 500 de milioane de ani --

în perioada geologică cambriană --

during the Cambrian geologic time period --

organismele din ocean au început să creeze materiale dure.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Înainte de asta toate erau structuri moi, pufoase.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

În acea perioadă

It was during this time that there was increased calcium,

a crescut cantitatea de calciu, fier

iron and silicon in the environment,

și silicon din mediul înconjurător.

and organisms learned how to make hard materials.

Și organismele au învățat sa producă materiale dure.

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

Asta e ce-aș dori fac --

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

să conving organismele biologie

să lucreze cu restul tabelului periodic.

Now, if you look at biology,

Dacă ne uităm la biologie,

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

sunt o mulțime de structuri ca ADN-ul, anticorpii,

proteinele și ribozomi de care știți

you've heard about,

ca sunt nano-structurate.

that are nanostructured --

Deci natura ne oferă deja

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

structuri într-adevăr splendide la scară nanometrică.

What if we could harness them

Dar dacă le-am putea exploata

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

și convinge să nu fie un anticorp

ca HIV-ul?

Dar dacă le-am putea convinge

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

să creeze o celulă solară pentru noi?

Câteva exemple: astea sunt niște scoici naturale.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Sunt materiale biologice naturale.

The abalone shell here.

Scoica abalone -- dacă o rupem,

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

vedem că e nano-structurată.

Diatomeele făcute din SiO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

sunt bacterii magnetotactice

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

care creează mici magneți uni-polari folosiți în navigație.

What all these have in common

Ce au toate acestea în comun

is these materials are structured at the nano scale,

e că aceste materiale sunt produse la scară nanometrică,

și că au o genă ADN

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

care codifică secvența unei proteine,

that gives them the blueprint

care le oferă schița

to be able to build these really wonderful structures.

de-a construi aceste structuri cu adevărat uimitoare.

Now, going back to the abalone shell,

Revenind la scoica abalone,

organismul structurează scoica folosind aceste proteine.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Aceste proteine sunt încărcate puternic negativ.

They can pull calcium out of the environment,

Pot extrage calciu din mediu,

alternează un strat de calciu cu unul de carbonat, calciu, apoi carbonat.

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

Are secvența chimică a aminoacizilor

It has the chemical sequences of amino acids which says,

care spune, "Uite așa construiești structura.

"This is how to build the structure.

Asta e secvența ADN,

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

iar asta secvența proteică necesară."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Ar fi interesant dacă am putea folosi orice material dorim,

what if you could take any material you wanted,

sau orice element din tabelul periodic,

or any element on the periodic table,

și i-am găsi secvența ADN corespunzătoare,

and find its corresponding DNA sequence,

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

care să codifice o structură proteică corespunzătoare

capabilă să construiască o structură,

but not build an abalone shell --

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

nu o scoică abalone, ceva pe care natura

n-a avut încă șansa s-o creeze.

Aici avem tabelul periodic.

And so here's the periodic table.

Ador tabelul periodic.

I absolutely love the periodic table.

În fiecare an pentru noii boboci veniți la MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

am un tabel periodic pe care scrie,

I have a periodic table made that says,

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

"Bine ați venit la MIT. Acum sunteți în elementul vostru."

(Laughter)

Îl intoarcem pe verso și acolo avem aminoacizii

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

with the pH at which they have different charges.

cu PH-ul la care au diferite încărcături.

And so I give this out to thousands of people.

O distribui la mii de studenți.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Știu că scrie MIT, și ăsta e Caltech,

dar am câteva în plus dacă cineva din afară dorește.

but I have a couple extra if people want it.

Și am avut mare noroc

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

ca președintele Obama să-mi viziteze laboratorul

anul ăsta în timpul vizitei sale la MIT.

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

Vroiam tare mult să-i dau un tabel periodic.

Am stat trează noaptea, am vorbit cu soțul meu,

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

"Cum îi dau președintelui Obama un tabel periodic?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Dacă zice, 'Oh, am deja unul,'

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

sau, 'L-am memorat deja'?"

(Laughter)

Deci a venit să-mi viziteze laboratorul,

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

s-a uitat împrejur, a fost o vizită grozavă.

And then afterward, I said,

Și apoi am zis,

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

"Domnule, vreau să vă ofer tabelul periodic

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

în cazul în care vreodată într-o situație trebuie să calculați greutatea moleculară."

(Laughter)

Mă gândeam că greutatea moleculară sună mai puțin tocilar

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

decât masa moleculară.

(Laughter)

S-a uitat la el,

And he looked at it and said,

și a zis,

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

"Mulțumesc. O să mă uit peste el periodic."

(Laughter)

(Râsete)

(Applause)

(Aplauze)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Mai târziu la o conferință despre energie ecologică pe care a ținut-o,

he pulled it out and said,

a scos tabelul și a zis,

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

"Cei de la MIT împart tabele periodice."

Deci, de fapt, ce nu v-am spus

So basically what I didn't tell you

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

e că acum 500 milioane de ani orgranismele au început să creeze materiale,

dar le-au trebuit 50 milioane de ani să exceleze.

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

Le-a luat aprox. 50 de milioane de ani

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

să învățe cum să facă o scoică abalone perfectă.

Asta e o greu de convins un absolvent:

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

"Am acest proiect grozav -- 50 de milioane de ani."

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

Deci a trebuit să găsim o metodă

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

să facem asta mai repede.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Folosim un virus non-toxic

numit bacteriofag M13

care știe să infecteze bacteriile.

whose job is to infect bacteria.

Are o structură ADN simplă

Well, it has a simple DNA structure

în care putem insera

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

secvențe adiționale ADN.

Făcând asta, permitem virusului

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

să exprime aleator secvențe de proteine.

This is pretty easy biotechnology,

Asta e bio-tehnologie destul de simplă.

and you could basically do this a billion times.

Se poate repeta de un miliard de ori.

So you can have a billion different viruses

Putem continua și crea un miliard de virusuri diferite

care genetic sunt identice,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

dar se diferențiază unul de celălalt la extremități,

cu o singură secvență

on one sequence,

care programează o proteină.

that codes for one protein.

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

Dacă iei tot miliardul de viruși,

și-i pui într-o picătură de lichid,

you can force them to interact with anything you want

îi poți forța să interacționeze cu orice element vrei din tabelul periodic.

on the periodic table.

Și printr-un proces selectiv de evoluție,

And through a process of selection evolution,

poți extrage unul dintr-un miliard care face ce vrei tu să facă,

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

de ex. să cultive o baterie sau o celulă solară.

like grow a battery or a solar cell.

Virușii nu se pot multiplica singuri, au nevoie de o gazdă.

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

Odată ce-l găsești pe acela dintr-un miliard,

Once you find that one out of a billion,

infectezi o bacterie cu el,

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

și obții milioane și miliarde de copii

of that particular sequence.

ale acelei secvențe speciale.

The other thing that's beautiful about biology

Alt aspect admirabil în biologie

is that biology gives you really exquisite structures

e că biologia oferă structuri cu adevărat splendide

cu solzi fini de legătură.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Acești viruși sunt lungi și subțiri,

and we can get them to express the ability

îi putem ajusta să exprime abilitatea

to grow something like semiconductors

de-a crea ceva asemănător semiconductorilor

or materials for batteries.

sau materialelor pentru baterii.

Asta e o baterie de mare putere creată în laboratorul meu.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Am conceput un virus care să culeagă nanotubi de carbon.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

O parte a virusului apucă un nanotub de carbon.

the other part of the virus has a sequence

Cealaltă parte a virusului are o secvență

care poate crește un material electrod pentru o baterie.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Apoi se leagă singur la colectorul de curent.

And so through a process of selection evolution,

Astfel printr-un proces de evoluție selectivă,

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

am evoluat de la un virus care făcea o baterie de slabă,

la un virus care făcea o baterie bună,

to a virus that made a good battery

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

la un virus care face o baterie de mare putere, ieșită din tipare,

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

întru-totul creată la temperaturi obișnuite.

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

Această baterie a ajuns la Casa Albă la o conferință de presă.

Am adus-o aici cu mine.

and I brought it here.

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

O vedeți în acest caz iluminând acest LED.

Now if we could scale this,

Dacă am putea mări scara,

you could actually use it to run your Prius,

am putea-o folosi

să punem în mișcare Prius-ul,

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

visul meu -- să conduc o mașină cu energie furnizată de un virus.

(Laughter)

Dar în principiu --

But basically you can pull one out of a billion,

puteți alege unul dintr-un miliard.

and make lots of amplifications to it.

Puteți realiza o gramadă de amplificări.

Basically, you make an amplification in the lab,

Practic, faceți o amplificare în laborator.

Apoi îl faceți să se asambleze singur

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

într-o structură similară unei baterii.

We're able to do this also with catalysis.

Putem face asta și prin cataliză.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Acesta e exemplul

de disociere fotocatalictică a apei.

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

Și ce am realizat

e să proiectăm un virus care ia moleculele ce absorb culoarea,

to basically take dye-absorbing molecules

le aliniază pe suprafața virusului,

and line them up on the surface of the virus

deci acționează ca o antenă,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

și obții un transfer de energie de-a lungul virusului.

Apoi îi inserăm o a doua genă

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

care-i dictează cum să creeze un material anorganic

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

folosit să disocieze apa

în hidrogen și oxigen,

that can be used for clean fuels.

care poate fi folosit drept combustibil nepoluant.

I brought an example of that with me today.

Am adus un exemplar cu mine.

My students promised me it would work.

Studenții mei mi-au promis că va merge.

These are virus-assembled nanowires.

Astea sunt nanofire asamblate de virus.

Când sunt iluminate le vezi făcând bule.

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

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

În acest caz, vedeți ieșind bule de oxigen.

(Applause)

Practic controlând genele,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

controlăm materiale multiple pentru a îmbunătăți performanța dispozitivului.

Ultimul exemplu sunt celulele solare.

The last example are solar cells.

Puteți face asta și cu celulele solare.

You can also do this with solar cells.

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

Am reușit să proiectăm virusuri

care să culeagă nanotubi de carbon

and then grow titanium dioxide around them,

și să crească apoi dioxid de titaniu împrejurul lor --

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

folosim asta ca o cale de a trece electronii prin dispozitiv.

And what we've found is through genetic engineering,

Am descoperit că prin inginerie genetică

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

putem crește

eficiența acestor celule solare

to record numbers

la cifre record

for these types of dye-sensitized systems.

la aceste tipuri de sisteme colorant-sensibilizate.

And I brought one of those as well,

Am adus și unul dintre acestea

that you can play around with outside afterward.

că să vă jucați mai târziu cu el afară.

Asta e o celula bazată pe un virus.

So this is a virus-based solar cell.

Prin evoluție și selecție,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

am crescut eficiența celulei solare

de la 8% la 11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Sper că v-am convins

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

că sunt o gramadă de lucruri minunate, interesante de învățat

despre cum creează natura materialele --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

și s-o ducem la următorul nivel,

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

să vedem dacă putem forța,

sau profita de felul în care natura creează materialele,

pentru a crea lucruri pe care natura n-a visat încă să le creeze.

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

Thank you.

Mulțumesc.

(Applause)