Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Translator: Lenka Mihalkova Reviewer: Richard Hrdlovič

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

Rozhodla som sa, že Vám trochu porozprávam o tom, ako príroda vytvára materiály.

I brought along with me an abalone shell.

Priniesla som so sebou ustricovú mušľu.

Táto ustricová mušľa je biokompozitný materiál,

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

v ktorom 98 percent tvorí uhličitan vápenatý

and two percent by mass protein.

a dve percentá hmotnosti sú bielkoviny.

A predsa, je 3000 krát pevnejší

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

ako jeho geologický náprotivok.

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

A mnoho ľudí používa štruktúry ako sú tieto ustricové mušle,

ako kriedu.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Bola som fascinovaná tým, ako príroda vytvára materiály,

ale takejto vynikajúcej práci

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

predchádza dlhá sekvencia.

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

Sčasti preto, lebo tieto materiály

sú štruktúrovo makroskopické,

ale vznikajú v nanomierke.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Sú tvorené v nanomierke,

and they use proteins that are coded by the genetic level

a využívajú bielkoviny, ktoré sú kódované podľa genetickej úrovne,

ktorá im umožňuje vybudovať tieto naozaj nádherné štruktúry.

that allow them to build these really exquisite structures.

Takže niečo, čo je podľa mňa veľmi fascinujúce je,

So something I think is very fascinating is:

čo keby ste mohli dať život

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

neživej štruktúre,

like batteries and like solar cells?

ako napr. batérii alebo solárnym článkom?

What if they had some of the same capabilities

Čo ak by tieto mali niektoré schopnosti rovnaké ako

ustricové mušle,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

čo sa týka schopnosti

vyrobiť naozaj nádherné štruktúry

at room temperature and room pressure,

pri izbovej teplote a izbovom tlaku,

using nontoxic chemicals

používať netoxické chemické látky

and adding no toxic materials back into the environment?

a nevypúšťať žiadne toxické materiály späť do prostredia?

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

Tak toto je moja vízia.

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

A čo ak by ste vedeli vypestovať batérie v Petriho miske?

Alebo, čo ak by ste mohli dať genetickú informáciu batérii,

Or what if you could give genetic information to a battery

a tá by sa mohla stať skutočne lepšou

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

ako čas plynie,

a naviac aj ekologicky šetrnejšou?

in an environmentally friendly way?

Ale vráťme sa k tejto ustricovej mušli,

And so, going back to this abalone shell,

okrem toho, že sú nanoštruktúrované,

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

jedným z fascinujúcich faktov je,

when a male and female abalone get together,

že keď sa samček a samička ustrice spoja,

they pass on the genetic information that says,

dochádza k prenosu genetickej informácie,

ktorá hovorí: „Toto je spôsob, ako vybudovať vynikajúci materiál .

"This is how to build an exquisite material.

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

Tu je návod, ako na to pri izbovej teplote a izbovom tlaku,

za použitia netoxických materiálov.“

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Rovnaké je to aj s rozsievkami, môžete ich vidieť priamo tu. Sú to priehľadné štruktúry.

which are glasseous structures.

Zakaždým, keď sa rozsievky množia,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

predávajú si genetickú informáciu, ktorá hovorí:

„Tu je návod, ako vyrobiť sklo v oceáne

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

s dokonalou nanoštruktúrou.

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

A vy môžete urobiť to isté, znova a znova.“

Takže, čo ak by ste mohli urobiť to isté

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

so solárnymi článkami alebo batériami?

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

Rada by som len povedala, že mojim obľúbeným biomateriálom je moje štvorročné dieťa.

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

Ale každý, kto niekedy mal malé deti, alebo jednoducho deti pozná, vie,

že vedia, že sú neuveriteľne zložitými organizmami.

they're incredibly complex organisms.

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

A tak, ak by ste ich chceli presvedčiť

urobiť niečo, čo nechcú, je to veľmi ťažké.

it's very difficult.

Takže, keď hovoríme o technológiách budúcnosti,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

máme vlastne na mysli používanie baktérií a vírusov,

čiže jednoduchých organizmov.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Dokážete ich presvedčiť, aby prácou s novým nástrojom

postavili štruktúru,

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

ktorá bude pre mňa dôležitá?

Also, when we think about future technologies,

Taktiež, myslíme na technológie budúcnosti.

we start with the beginning of Earth.

Začneme so začiatkom Zeme.

Vytvorenie života na Zemi

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

trvalo v podstate miliardy rokov.

And very rapidly, they became multi-cellular,

A veľmi rýchlo vznikli mnohobunkové organizmy,

ktoré sa mohli množiť, mohli využívať fotosyntézu

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

na získavanie potrebnej energie.

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

Ale až pred 500 miliónmi rokov -

v priebehu geologického obdobia Kambrium –

during the Cambrian geologic time period --

začali organizmy v oceáne vyrábať tvrdé materiály.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Pred tým boli všetky štruktúry mäkké a sypké.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

A práve počas tohto obdobia

It was during this time that there was increased calcium,

bol v okolitom prostredí zvýšený obsah vápnika, železa

iron and silicon in the environment,

a kremíka.

and organisms learned how to make hard materials.

A organizmy sa naučili vyrábať tvrdé materiály.

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

A to je to, čo by som chcela urobiť -

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

presvedčiť biológiu

pracovať so zvyškom periodickej tabuľky.

Now, if you look at biology,

Keď sa pozriete na biológiu,

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

nájdete tam veľa štruktúr ako je DNA, protilátky,

bielkoviny a ribozómy, o ktorých ste už počuli,

you've heard about,

a viete teda že sú nanoštruktúrované.

that are nanostructured --

Takže príroda nám naozaj ponúka

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

nádherné štruktúry v nanomierke.

What if we could harness them

Čo keby sme ich mohli využiť,

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

a presvedčiť, aby neboli protilátkou,

povedzme napr. HIV?

Ale čo ak sme ich mohli presvedčiť,

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

aby pre nás vybudovali solárny článok?

Takže tu je niekoľko príkladov: toto sú niektoré prírodné mušle.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Existujú prírodné biologické materiály.

The abalone shell here.

Táto ustricová mušľa - a ak ju zlomíte,

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

môžete vidieť, že je nanoštruktúrovaná.

Sú tu rozsievky vyrobené z SiO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

a tieto sú magnetotaktické baktérie,

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

ktoré dokážu vyrobiť malé jednodoménové magnety používané na navigáciu.

What all these have in common

To, čo majú všetky tieto štruktúry spoločné je,

is these materials are structured at the nano scale,

že tieto materiály sú vytvorené v nanomierke,

a majú DNA sekvenciu,

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

ktorá kóduje proteínovú sekvenciu,

that gives them the blueprint

ktorá im dáva plán,

to be able to build these really wonderful structures.

podľa ktorého môžu stavať tieto naozaj nádherné štruktúry.

Now, going back to the abalone shell,

Vráťme sa späť k ustricovej mušli,

ustrica vytvára túto mušľu práve týmito proteínmi.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Tieto proteíny sú záporne nabité.

They can pull calcium out of the environment,

Z okolitého prostredia dokážu vytiahnuť vápnik,

vytvoriť vrstvu vápnika a umožniť proces karbonizácie, ďalšia vrstva vápnika a opätovná karbonizácia.

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

To má chemickú sekvenciu aminokyselín,

It has the chemical sequences of amino acids which says,

ktorá nesie odkaz: „Toto je spôsob, ako postaviť štruktúru.

"This is how to build the structure.

A na uskutočnenie toho, tu je DNA sekvencia

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

a proteínová sekvencia.“

in order to do it."

So an interesting idea is,

A tak zaujímavým nápadom je, čo keby ste mohli zobrať akýkoľvek materiál,

what if you could take any material you wanted,

alebo akýkoľvek prvok v periodickej tabuľke,

or any element on the periodic table,

a nájsť jemu zodpovedajúcu DNA sekvenciu,

and find its corresponding DNA sequence,

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

potom to okódovať pre zodpovedajúcu proteínovú sekvenciu,

aby tá mohla postaviť štruktúru, ale nie ustricovú mušľu –

but not build an abalone shell --

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

postaviť niečo, prostredníctvom prírody,

s čím ešte nikdy nemala príležitosť pracovať.

A tu je periodická tabuľka.

And so here's the periodic table.

Milujem periodickú tabuľku.

I absolutely love the periodic table.

Každý rok pre študentov prvého ročníka nášho MIT inštitútu

Every year for the incoming freshman class at MIT,

mám periodickú tabuľku, ktorá hovorí:

I have a periodic table made that says,

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

„Vitajte na MIT. Teraz ste vo svojom živle.“

(Laughter)

A keď to prevrátite, na druhej strane sú aminokyseliny

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

with the pH at which they have different charges.

s rôznymi funkciami pri rôznom pH.

And so I give this out to thousands of people.

A toto rozdávam tisícom ľudí.

And I know it says MIT and this is Caltech,

A viem, že je na nich napísané MIT, a toto je Caltech,

ale mám zopár naviac, ak má niekto záujem.

but I have a couple extra if people want it.

A mala som naozaj šťastie,

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

že prezident Obama navštívil moje laboratórium tohoto roku

pri jeho návšteve v MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

a naozaj som mu chcela dať túto periodickú tabuľku.

Tak som zostala hore dlho do noci, a rozprávala som sa s manželom,

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

„Ako mám dať prezidentovi Obamovi periodickú tabuľku?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Čo ak povie, 'Oh, už jednu mám,'

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

alebo 'už to viem naspamäť'?“

(Laughter)

A tak prišiel na návštevu do laboratória

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

a rozhliadol sa - bola to skvelá návšteva.

And then afterward, I said,

A potom som povedala:

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

„Pane, chcem vám dať periodickú tabuľku

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

pre prípad, že raz uviaznete a budete potrebovať vypočítať molekulovú hmotnosť.“

(Laughter)

Myslela som si, že molekulová hmotnosť znie menej hlúpo

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

ako molárna hmotnosť.

(Laughter)

A tak sa na to pozrel,

And he looked at it and said,

a povedal:

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

„Ďakujem. Budem sa na to periodicky pozerať.“

(Laughter)

(Smiech)

(Applause)

(Potlesk).

Later in a lecture that he gave on clean energy,

A neskôr na jeho prednáške o čistej energii,

he pulled it out and said,

vytiahol túto tabuľku a povedal:

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

„A ľudia v MIT rozdávajú periodické tabuľky.“

Takže v podstate to, čo som vám nepovedala je,

So basically what I didn't tell you

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

že asi pred 500 miliónmi rokov, organizmy začali vyrábať materiály,

ale to, aby v tom boli naozaj dobrí, im trvalo asi 50 miliónov rokov.

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

Trvalo im asi 50 miliónov rokov,

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

kým sa zdokonalili vo výrobe tejto ustricovej mušle.

A toto je ťažké predať absolventom škôl.

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

„Mám tento skvelý projekt – 50 miliónov rokov“.

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

A tak sme museli vyvinúť spôsob,

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

ako to urobiť rýchlejšie.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Použili sme vírus, ide o nejedovatý vírus

zvaný M13 bakteriofág,

ktorého úlohou je infikovať baktérie.

whose job is to infect bacteria.

Má jednoduchú DNA štruktúru,

Well, it has a simple DNA structure

takže môžete skopírovať a vložiť

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

do nej ďalšie DNA sekvencie.

A práve táto činnosť umožňuje vírusu

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

vytlačiť náhodné proteínové sekvencie.

This is pretty easy biotechnology,

A toto je celkom jednoduchá biotechnológia.

and you could basically do this a billion times.

A mohli by ste to v podstate urobiť miliárdkrát.

So you can have a billion different viruses

Takže môžete mať miliardu rôznych vírusov,

ktoré sú geneticky zhodné,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

ale líšia sa od seba

jednou sekvenciou

on one sequence,

kódujúcou jednu bielkovinu na základe vlastného výberu.

that codes for one protein.

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

Ak vezmete celú miliardu vírusov,

a vložíte ich do jednej kvapky tekutiny,

you can force them to interact with anything you want

môžete ich prinútiť k interakcii podľa vlastného želania s akýmkoľvek prvkom z periodickej tabuľky.

on the periodic table.

A prostredníctvom selektívneho procesu evolúcie

And through a process of selection evolution,

môžete dosiahnuť to, že jeden z miliardy urobí to, čo chcete,

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

ako napríklad vyrobiť batériu alebo solárny článok.

like grow a battery or a solar cell.

Takže, vírusy sa v podstate nemôžu replikovať samé, potrebujú hostiteľa.

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

Akonáhle zistíte, že jednému z miliardy sa to podarilo,

Once you find that one out of a billion,

infikujete ním baktériu,

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

a urobíte milióny a miliardy kópií

of that particular sequence.

tejto konkrétnej sekvencie.

The other thing that's beautiful about biology

A teda ďalšia vec, ktorá je na biológii krásna je to,

is that biology gives you really exquisite structures

že biológia vám dáva naozaj nádherné štruktúry

s rovnomernou stupnicou.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

A tieto vírusy sú dlhé a tenké,

and we can get them to express the ability

a my môžeme dosiahnuť to, že vyjadria schopnosť

to grow something like semiconductors

vyrobiť niečo, ako napr. polovodiče

or materials for batteries.

alebo materiály pre batérie.

Toto je vysoko výkonný akumulátor, ktorý sme vyrobili v mojom laboratóriu.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Vyrobili sme vírus schopný naberať uhlíkové nanotrubice.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Takže jedna časť vírusu zachytáva uhlíkové nanotrubice.

the other part of the virus has a sequence

Druhá časť vírusu má schopnosť,

ktorá spôsobuje rast elektródového materiálu pre batériu.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

A potom sa sám napojí na prúdový zberač.

And so through a process of selection evolution,

A tak, prostredníctvom procesu výberovej evolúcie,

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

sme prešli od vírusu, ktorý vyrobil mizernú batériu

cez vírus, ktorý vyrobil dobrú batériu

to a virus that made a good battery

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

až k vírusu, ktorý vyrobil rekordy lámajúcu vysoko výkonnú batériu,

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

a to všetko pri izbovej teplote, v podstate na povrchu stola.

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

A potom táto batéria putovala do Bieleho domu na tlačovú konferenciu.

Priniesla som ju aj tu.

and I brought it here.

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

V tomto prípade rozsvecuje túto LED diódu.

Now if we could scale this,

Ak by sme ju mohli vyrobiť vo väčšej veľkosti,

you could actually use it to run your Prius,

mohli by ste ju skutočne použiť

na poháňanie vášho auta Prius,

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

čo je mojím snom - byť schopný riadiť vírusom poháňané auto.

(Laughter)

Ale v podstate -

But basically you can pull one out of a billion,

môže sa vám to podariť na jednom z miliardy.

and make lots of amplifications to it.

A k tomu môžete urobiť veľa vylepšení.

Basically, you make an amplification in the lab,

Vylepšenie v podstate urobíte v laboratóriu.

A potom to môžete prinútiť sa samozostaviť

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

do štruktúry batérie.

We're able to do this also with catalysis.

Sme schopní to urobiť aj s katalýzou.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Toto je príklad

fotokatalytického štiepenia vody.

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

Podarilo sa nám

usmerniť vírus, tak aby zachytil farbivo absorbujúce molekuly

to basically take dye-absorbing molecules

a zoskupiť ich na povrchu vírusu tak,

and line them up on the surface of the virus

že fungujú ako anténa,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

a tým dochádza k prenosu energie cez vírus.

A potom sme im pridali druhý gén

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

na rast anorganického materiálu,

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

ktorý môže byť použitý na rozštiepenie vody

na kyslík a vodík,

that can be used for clean fuels.

ktoré môžu byť použité pre čisté palivá.

I brought an example of that with me today.

Priniesla som dnešný vzor so sebou.

My students promised me it would work.

Moji študenti sľúbili, že to bude fungovať.

These are virus-assembled nanowires.

Jedná sa o vírusovozostavené nanovlákna.

Keď na ne zasvietite svetlom, môžete ich vidieť bublať.

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

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

V tomto prípade vidíte vychádzať bubliny kyslíka.

(Applause)

A v podstate kontrolovaním génov,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

môžete využiť rôzne materiály pre zlepšenie výkonu zariadenia.

Posledným príkladom sú solárne články.

The last example are solar cells.

Môžete to tiež urobiť pomocou solárnych článkov.

You can also do this with solar cells.

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

Podarilo sa nám pripraviť vírusy

schopné zachytávať uhlíkové nanotrubice

and then grow titanium dioxide around them,

a následne spôsobiť rast oxidu titaničitého okolo nich -

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

a používať ich ako spôsob, ako dostať elektróny cez zariadenia.

And what we've found is through genetic engineering,

A čo sme zistili je, že cez genetické inžinierstvo

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

môžeme skutočne zvýšiť

účinnosť týchto solárnych článkov

to record numbers

na rekordné údaje

for these types of dye-sensitized systems.

pre tieto typy systémov citlivých na farbivo.

And I brought one of those as well,

A ja som priniesla jeden z nich,

that you can play around with outside afterward.

ktorý si potom môžete vyskúšať.

Tak toto sú vírusové solárne články.

So this is a virus-based solar cell.

Vývojom a výberom

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

sme zo solárneho článku s 8 % účinnosťou

vyrobili solárny článok s 11 % účinnosťou.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Dúfam, že som vás presvedčila,

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

že je treba preskúmať veľa fantastických a zaujímavých vecí,

o tom, ako príroda vyrába materiály -

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

a posunúť sa k ďalšiemu kroku,

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

a tým je zisťovanie, či je možné si to vynútiť,

alebo či je možné využiť spôsob, akým príroda vyrába materiály,

na výrobu veci, o ktorých ešte ani sama príroda nesnívala.

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

Thank you.

Ďakujem.

(Applause)