Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Анджела Белчер: используем природу, чтобы растить батарейки

Переводчик: Alexandra Mingaleeva Редактор: Maria Bazilevskaya

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

Я немного расскажу о том, как природа создаёт материалы.

I brought along with me an abalone shell.

Я принесла с собой раковину морского ушка.

This abalone shell is a biocomposite material

Эта раковина состоит из биокомпозитного материала:

that's 98 percent by mass calcium carbonate

на 98 процентов из карбоната кальция

and two percent by mass protein.

и на два процента из протеина.

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

В то же время она в 3 000 раз прочнее своего геологического аналога.

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

Многие используют подобные структуры,

like chalk.

например мел.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Я была поражена тем, как природа создаёт материалы,

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

используя множество секретов в своей утончённой работе.

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

Частично потому, что эти материалы имеют макроскопическую структуру,

but they're formed at the nano scale.

но формируются они на нано-уровне.

They're formed at the nano scale,

Они формируются в нано-масштабе

and they use proteins that are coded by the genetic level

и используют протеины, кодируемые на генетическом уровне,

that allow them to build these really exquisite structures.

что позволяет им строить такие утончённые структуры.

So something I think is very fascinating is:

Я думаю, было бы восхитительно,

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

если бы мы смогли дать жизнь таким неживым структурам,

like batteries and like solar cells?

как батарейки или солнечные элементы?

What if they had some of the same capabilities

Что, если бы у них были те же способности,

that an abalone shell did,

как и у раковины морского ушка,

in terms of being able to build really exquisite structures

то есть они смогли бы строить очень утончённые структуры

at room temperature and room pressure,

при комнатной температуре и давлении,

using nontoxic chemicals

используя нетоксичные химические элементы

and adding no toxic materials back into the environment?

без выброса токсичных элементов в окружающую среду?

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

Это концепция, о которой я думала.

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

И что, если бы вы вырастили батарейку в чашке Петри?

Or what if you could give genetic information to a battery

Что, если бы вы смогли передать генетическую информацию батарейке

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

так, чтобы она стала дольше работать

in an environmentally friendly way?

и не загрязнять окружающую среду?

And so, going back to this abalone shell,

Итак, возвращаясь к раковине морского ушка,

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

кроме своей нано-структуры, у неё есть ещё одна захватывающая вещь:

when a male and female abalone get together,

когда мужская и женская особь встречаются,

they pass on the genetic information that says,

они передают генетическую информацию:

"This is how to build an exquisite material.

«Вот так нужно строить такой сложный материал.

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

Вот так делать его при комнатной температуре и давлении,

using nontoxic materials."

используя нетоксичные материалы».

Same with diatoms, which are shown right here,

Некоторые из диатомов, показанных здесь,

which are glasseous structures.

имеют структуру стекла.

Every time the diatoms replicate,

При каждом воспроизведении

they give the genetic information that says,

они передают такую генетическую информацию:

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

«Вот так строится стекло в океане c идеальной нано-структурой.

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

И ты можешь повторить это снова и снова».

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

А что, если сделать то же самое с солнечным элементом или батарейкой?

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

Мой любимый биоматериал — это мой четырёхлетний ребёнок.

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

Но все, кто имел дело с маленькими детьми,

they're incredibly complex organisms.

знают, что они невероятно сложные организмы.

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

И если вы хотите уговорить их делать то, что они не хотят, —

it's very difficult.

это очень сложно.

So when we think about future technologies,

Поэтому, когда мы думаем о технологиях будущего,

we actually think of using bacteria and viruses --

мы думаем об использовании бактерий или вирусов —

simple organisms.

простых организмов.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Могу ли я уговорить их работать с новыми инструментами,

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

чтобы они смогли строить необходимые мне структуры?

Also, when we think about future technologies,

Также, думая о будущих технологиях,

we start with the beginning of Earth.

мы начнем с возникновения Земли.

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

Понадобился примерно миллиард лет, чтобы на Земле зародилась жизнь.

And very rapidly, they became multi-cellular,

И очень скоро, она стала многоклеточной,

they could replicate, they could use photosynthesis

организмы смогли воспроизводиться, использовать фотосинтез

as a way of getting their energy source.

как источник энергии.

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

Однако только около 500 миллионов лет назад,

during the Cambrian geologic time period --

во время кембрийского геологического периода,

that organisms in the ocean started making hard materials.

эти организмы в океане стали делать твёрдые материалы.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

До этого они все были мягкими, слабыми структурами.

It was during this time that there was increased calcium,

Именно в это время количество кальция, железа и кремния

iron and silicon in the environment,

в окружающей среде увеличилось.

and organisms learned how to make hard materials.

И организмы научились делать твёрдые материалы.

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

Это то, что я хотела бы научиться делать —

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

убедить биологию работать с остальной периодической таблицей.

Now, if you look at biology,

Если вы взглянете на биологию,

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

то здесь существует много структур: ДНК, антителá, протеины и рибосомы,

you've heard about,

о которых вы слышали,

that are nanostructured --

которые имеют нано-структуры.

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

То есть природа уже даёт нам очень сложные структуры в нано-масштабе.

What if we could harness them

Что, если бы смогли запрячь их

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

и убедить их не быть антителами, которые, например, вызывают ВИЧ?

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

Что, если бы мы смогли убедить их построить для нас солнечный элемент?

Here are some examples.

Вот несколько примеров:

Natural shells, natural biological materials.

природные раковины, естественный биоматериал.

The abalone shell here.

Вот раковина морского ушка.

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

Если вы её разломите, то увидите, что это нано-структура.

There's diatoms made out of SiO2,

Здесь есть диатомеи, сделанные из кварца,

and there are magnetotactic bacteria

и бактерия-магнетотактик,

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

которая делает одиночные магниты, используемые для навигации.

What all these have in common

Общее у них то,

is these materials are structured at the nano scale,

что все эти материалы состоят из нано-структур.

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

Последовательность их ДНК кодирует последовательность протеинов,

that gives them the blueprint

которая передаёт им шаблон

to be able to build these really wonderful structures.

для постройки этих великолепных структур.

Now, going back to the abalone shell,

Теперь, возвращаясь к раковине морского ушка,

the abalone makes this shell by having these proteins.

морское ушко делает раковину, используя эти протеины.

These proteins are very negatively charged.

Эти протеины очень отрицательно заряжены.

They can pull calcium out of the environment,

Они собирают кальций из окружающей среды,

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

складывают слоями кальций и карбонат, кальций и карбонат.

It has the chemical sequences of amino acids which says,

Химическая последовательность аминокислот в них говорит:

"This is how to build the structure.

«Вот так нужно строить структуру.

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

Вот последовательность ДНК и последовательность протеинов

in order to do it."

для её постройки».

So an interesting idea is,

А что, если бы можно было

what if you could take any material you wanted,

взять любой материал

or any element on the periodic table,

или элемент из периодической таблицы

and find its corresponding DNA sequence,

и найти соответствующую последовательность ДНК,

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

закодировать соответствующую последовательность протеинов,

but not build an abalone shell --

для построения структуры, но не раковину,

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

а что-то, с чем природа ещё не имела возможности поработать.

And so here's the periodic table.

Это периодическая таблица.

I absolutely love the periodic table.

Я обожаю периодическую таблицу.

Every year for the incoming freshman class at MIT,

Каждый год для первокурсников в MIT

I have a periodic table made that says,

я делаю периодическую таблицу с надписью:

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

«Добро пожаловать в MIT. Вы в своём элементе».

(Laughter)

(Смех)

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

На обратной стороне есть аминокислоты

with the pH at which they have different charges.

и PH, при котором они имеют разные заряды.

And so I give this out to thousands of people.

Я раздаю её тысячам людей.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Я знаю, на ней написано MIT, а мы в Caltech,

but I have a couple extra if people want it.

но у меня есть пара штук, если кто-то захочет.

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

Мне очень повезло, президент Обама посетил мою лабораторию в этом году,

on his visit to MIT,

когда приезжал в MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

и мне очень хотелось дать ему периодическую таблицу.

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

Я не спала всю ночь и говорила своему мужу:

"How do I give President Obama a periodic table?

«Как я дам президенту Обаме периодическую таблицу?

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

А если он скажет, что у него уже такая есть,

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

или что он и так её знает наизусть?»

(Laughter)

(Смех)

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

В общем, он пришёл в лабораторию — визит прошёл замечательно.

And then afterward, I said,

А после я сказала:

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

«Сэр, я бы хотела дать вам периодическую таблицу,

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

на случай если вам вдруг понадобится посчитать молекулярный вес».

(Laughter)

(Смех)

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

Я подумала, что молекулярный вес звучит понятнее, чем молярная масса.

(Laughter)

(Laughter)

And he looked at it and said,

Он посмотрел на неё и сказал:

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

«Спасибо. Я буду периодически на неё посматривать».

(Laughter)

(Смех)

(Applause)

(Аплодисменты)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Позже в своей лекции по чистой энергии

he pulled it out and said,

он достал её и сказал:

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

«И люди в MIT, они раздают периодические таблицы».

So basically what I didn't tell you

Я вам ещё не сказала,

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

что около 500 миллионов лет назад организмы начали делать материалы,

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

но им понадобилось 50 миллионов лет, чтобы усовершенствовать их.

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

Им понадобилось 50 миллионов лет, чтобы научиться делать такую раковину.

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

Такой рекламой сложно заинтересовать аспиранта.

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

«У меня есть великолепный проект... на 50 миллионов лет».

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

Поэтому нам пришлось придумывать, как ускорить этот процесс.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Мы использовали нетоксичный вирус М13 — это бактериофаг,

whose job is to infect bacteria.

чья работа — заражать бактерии.

Well, it has a simple DNA structure

У него очень простая структура ДНК,

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

поэтому ему можно вставить дополнительную ДНК последовательность.

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

Это позволяет вирусу создавать произвольную последовательность протеинов.

This is pretty easy biotechnology,

И это очень простая биотехнология.

and you could basically do this a billion times.

Можно повторять это миллиард раз.

So you can have a billion different viruses

Следовательно, можно получить миллиард разных вирусов,

that are all genetically identical,

которые генетически идентичны,

but they differ from each other based on their tips,

но отличаются друг от друга

on one sequence,

одной последовательностью,

that codes for one protein.

которая кодирует один протеин.

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

Теперь, если мы возьмём миллиард вирусов и поместим их в одну каплю жидкости,

you can force them to interact with anything you want

мы сможем заставить их взаимодействовать с любым элементом

on the periodic table.

периодической таблицы.

And through a process of selection evolution,

И путём выборочной эволюции

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

мы можем выбрать из миллиарда один, который сделает то, что ты захочешь,

like grow a battery or a solar cell.

например, вырастит батарейку или солнечный элемент.

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

Вирусы не могут сами воспроизводиться, им нужен носитель.

Once you find that one out of a billion,

Когда мы находим этот один из миллиарда,

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

мы инфицируем бактерию и делаем миллионы и миллиарды копий

of that particular sequence.

этой конкретной последовательности.

The other thing that's beautiful about biology

Ещё одна замечательная вещь в биологии —

is that biology gives you really exquisite structures

она даёт очень утончённые структуры

with nice link scales.

с замечательными связями.

These viruses are long and skinny,

Эти вирусы длинные и тонкие,

and we can get them to express the ability

и мы можем заставить их

to grow something like semiconductors

выращивать, например, полупроводники

or materials for batteries.

или материал для батареек.

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

Это высоко-мощная батарейка, выращенная в моей лаборатории.

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Мы разработали вирус, который подбирает нанотрубки.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Одна часть вируса берёт углеродную нанотрубку,

the other part of the virus has a sequence

у другой части есть последовательность,

that can grow an electrode material for a battery,

которая может вырастить электродный материал для батарейки,

and then it wires itself to the current collector.

после чего он прикрепляется к токоприёмнику.

And so through a process of selection evolution,

И через процесс выборочной эволюции

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

мы пришли от вируса, который сделал второсортную батарейку

to a virus that made a good battery

к вирусу, который сделал хорошую батарейку,

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

а потом к вирусу, который сделал очень мощную батарейку.

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

Все они были сделаны при комнатной температуре, фактически на обычном столе.

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

И эта батарейка ездила в Белый Дом на пресс-конференцию.

and I brought it here.

Я принесла её с собой.

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

Сейчас она подсвечивает LED лампочку.

Now if we could scale this,

Если мы сможем изменить масштаб,

you could actually use it to run your Prius,

то вы бы смогли использовать её, чтобы ездить на своей Toyota Prius,

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

Это моя мечта — ездить на машине, заряженной вирусом.

(Laughter)

(Смех)

But basically you can pull one out of a billion,

По существу, мы выбираем один из миллиарда,

and make lots of amplifications to it.

а потом копируем много раз.

Basically, you make an amplification in the lab,

Копирование происходит в лаборатории.

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

А потом они самособираются в такую структуру, как батарейка.

We're able to do this also with catalysis.

Мы также смогли сделать это с катализом.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Вот пример расщепления воды с помощью фото катализа.

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

Мы смогли разработать вирус,

to basically take dye-absorbing molecules

который фактически окрашивает молекулы

and line them up on the surface of the virus

и выстраивает их на поверхности вируса,

so it acts as an antenna,

и они работают как антенна,

and you get an energy transfer across the virus.

которая распределяет энергию по вирусу.

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

После этого мы даём ему второй ген, который позволяет растить

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

неорганический материал, использующийся для расщепления воды

that can be used for clean fuels.

на кислород и водород, который можно использовать как чистое топливо.

I brought an example of that with me today.

Я принесла сюда образец.

My students promised me it would work.

Мои студенты обещали, что он будет работать.

These are virus-assembled nanowires.

Эти нано-провода собраны вирусом.

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

Если на них посветить, можно увидеть пузырьки.

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

В данном случае пузырится выходящий кислород.

(Applause)

(Аплодисменты)

Basically, by controlling the genes,

Контролируя эти гены,

you can control multiple materials to improve your device performance.

можно контролировать много материалов, чтобы улучшить работу устройства.

The last example are solar cells.

Последний пример — солнечные элементы.

You can also do this with solar cells.

Можно поступить точно так же с солнечными элементами.

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

У нас получилось вырастить вирусы, которые подбирают углеродные трубки

and then grow titanium dioxide around them,

и потом выращивают диоксид титана вокруг них,

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

чтобы можно было пропускать электроны через устройство.

And what we've found is through genetic engineering,

Мы обнаружили, что с помощью генной инженерии

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

можно увеличить эффективность этих солнечных элементов

to record numbers

до рекордных показателей

for these types of dye-sensitized systems.

для такого вида светочувствительных систем.

And I brought one of those as well,

Я также принесла сюда один экземпляр.

that you can play around with outside afterward.

С ним можно ознакомиться после.

So this is a virus-based solar cell.

Это солнечный элемент на основе вируса.

Through evolution and selection,

С помощью эволюции и отбора,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

мы смогли увеличить эффективность с 8 процентов

to an 11 percent efficiency solar cell.

до 11 процентов.

So I hope that I've convinced you

Надеюсь, я вас убедила,

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

что ещё очень много интересного можно узнать о том,

about how nature makes materials,

как природа создаёт материалы,

and about taking it the next step,

и подняться на следующую ступеньку,

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

чтобы увидеть, сможем ли мы воспользоваться этими знаниями

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

чтобы создать то, о чём природа ещё и не мечтала.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)