Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Angela Belcher: Pil üretmek için doğayı kullanmak

Çeviri: Ayten Ay Gözden geçirme: Sancak Gülgen

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

Doğanın nasıl materyal yarattığı hakkında konuşabileceğimi düşündüm.

I brought along with me an abalone shell.

Yanımda bir deniz kulağı kabuğu getirdim.

Bu deniz kulağı kabuğu kütlece

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

%98 kalsiyum karbonat

and two percent by mass protein.

ve %2 protein içeren bir biyokompozit.

Yine de jeolojik benzerlerinden

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

3000 kat daha dayanıklı.

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

Ve birçok insan deniz kulağı kabukları gibi yapıları

tebeşir gibi kullanabilirler.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Doğanın malzemeleri nasıl yaptığına hayran olmuştum,

ve bu hassas işi nasıl

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

yaptıklarının bir sürü sırrı var.

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

Mesela bu malzemeler

yapısal olarak makroskobikler,

ama nano ölçekte oluşmuşlar.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Nano ölçekte oluşmuşlar,

and they use proteins that are coded by the genetic level

ve onlara bu hassas yapıları oluşturmalarına yardım edecek

genetik seviyede kodlanmış proteinleri kullanıyorlar.

that allow them to build these really exquisite structures.

Ve büyüleyici bulduğum birşey şu ki

So something I think is very fascinating is:

ya bataryalar ve güneş pilleri gibi

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

cansız yapılara

like batteries and like solar cells?

yaşam verebilseydiniz?

What if they had some of the same capabilities

Ya deniz kulağı kabuğunun yapabildiği gibi

,yapabilmek derken,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

oda sıcaklığında ve basıncında

hassas yapılar oluşturmak için

at room temperature and room pressure,

toksik olmayan kimyasalları kullanıp

using nontoxic chemicals

ve toksik olmayan malzemeleri

and adding no toxic materials back into the environment?

tekrar doğaya salabilselerdi?

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

Bu benim düşündüğüm bir görüştü.

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

Ya bir petri kabında pil yetiştirebilseydiniz?

Ya da, ya bir pile genetik bilgi verebilseydiniz

Or what if you could give genetic information to a battery

ve böylece zamanın bir fonksiyonu olarak

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

daha iyi olabilirdi,

ve bunu çevre dostu olacak şekilde yapabilseydiniz?

in an environmentally friendly way?

Ve böylece, tekrar deniz kulağı kabuğuna dönersek

And so, going back to this abalone shell,

nano ölçekte olmasının yanı sıra

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

büyüleyici olan bir diğer özelliği,

when a male and female abalone get together,

bir erkek ve dişi deniz kulağı yan yana geldiğinde,

they pass on the genetic information that says,

birbirlerine "Bu hassas bir yapı oluşturmanın yoludur.

Oda sıcaklığı ve basıncında işte böyle yaparsın,

"This is how to build an exquisite material.

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

toksik olmayan malzemeler kullanarak."

diyen genetik bilgiyi aktarırlar.

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Diatomlarda da aynı, ki burada camdan yapılar olarak gösteriliyorlar.

which are glasseous structures.

Diatomlar her çoğaldığında

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

birbirlerine "İşte mükemmel bir nano-yapıda

bir camı okyanusta inşa etmenin

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

yolu budur. Ve bunu aynı şekilde

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

tekrar tekrar yapabilirsin." diyen genetik bilgiyi aktarırlar.

Yani ya aynı şeyi bir güneş pili

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

ya da bataryada da yapabilseydiniz?

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

Favori materyalimin 4 yaşımdaki halim olduğunu söylemek istiyorum.

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

Çocuğu olanlar, ya da tanıyanlar onların

inanılmaz karmaşık organizmalar olduğunu bilir

they're incredibly complex organisms.

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

Ve onları yapmak istemedikleri birşeyi

yapmaya ikna etmek isterseniz, bu çok zordur.

it's very difficult.

Gelecekteki teknoloji hakkında düşündüğümüz zaman

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

aslında bakteri ve virüsü kullanmayı düşünüyoruz,

basit organizmaları.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Onları benim için önemli olacak bir yapı

oluşturmaları için

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

çalışmaya ikna edebilir misiniz?

Also, when we think about future technologies,

Aynı zamanda, gelecekteki teknolojiyi düşünürken,

we start with the beginning of Earth.

Dünya'nın başlangıcıyla başlıyoruz.

Temelde, Dünya'da yaşamın oluşması

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

bir milyar yıl aldı.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Ve büyük bir hızla, çok hücreli oldular,

çoğalabiliyorlardı, enerji kaynaklarını elde etmek için

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

fotosentezi kullanabiliyorlardı.

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

Ama bu 500 milyon yıl öncesine kadar gerçekleşmedi --

Kambriyen jeolojik zaman süreci boyunca --

during the Cambrian geologic time period --

okyanustaki bu organizmalar sert malzemeler üretmeye başladılar.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Yumuşak ve kabarık olmadan önce.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Ve bu zaman boyunca

It was during this time that there was increased calcium,

doğada kalsiyum, demir ve silikon

iron and silicon in the environment,

artışı oldu.

and organisms learned how to make hard materials.

Ve organizmalar nasıl sert malzemeler yapacaklarını öğrendiler.

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

İşte benim yapabilmeyi istediğim şey bu --

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

biyolojiyi periyodik tablonun

geri kalanıyla çalışmaya ikna edebilmek.

Now, if you look at biology,

Şimdi, eğer biyolojiye bakarsanız,

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

DNA, antikorlar, proteinler ve ribozomlar gibi

var olduğunu bildiğiniz şeyler

you've heard about,

zaten nano-ölçekte.

that are nanostructured --

Yani doğa bize nanoölçekteki hassas

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

yapıları zaten veriyor.

What if we could harness them

Acaba onlari HIV

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

gibi bir antikor olmadiklarina ikna etsek

nasil olurdu?

Yada onlari bizim icin gunes pilleri

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

yapmaya ikna etsek?

iste burada bazi ornekler var: Bunlar dogal kabuklar.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

bunlar dogal biyolojik maddeler

The abalone shell here.

Deniz kulagu kabuklari burda- ve eger kirabilirseniz

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

bunlarin gercekte nano olcekli yap[lar oldugunu goreceksiniz.

bunlar SiO2 (silica) dan yapilmis diatomlar

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

ve bunlar yon bulmak icin kucuk,

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

tek alanli miknatislar yapan magnetotactic bakteriler

What all these have in common

bunlarin sahip olduklari ortak sey ise

is these materials are structured at the nano scale,

butun bu yapilarin ve mlzemelerin nano olcekte olmasi

ve protein dizisi uretmek icin

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

bir DNA dizisine sahip olmalari

that gives them the blueprint

Bu DNA dizisi onlara bu mukemmel yapilari

to be able to build these really wonderful structures.

insa etmek icin gerekli plani sagliyor.

Now, going back to the abalone shell,

Simdi, deniz kulagi kabuguna geri donelim,

deniz kulagi bu proteinle sayesinde bu kabugu yapabiliyor.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Bu proteinler eksi yukle yuklenmis.

They can pull calcium out of the environment,

ve cevredeki kalsiyumu (Ca +2) kendilerine cekebilyorlar

bir sira kalsiyum, bir sira karbonat koyuyorlar, kalsiyum ve karbonat ve bu sekilde devam ediyor.

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

onun amino asitlerinin kimyasal sirasi

It has the chemical sequences of amino acids which says,

ona "iste kabugu bu sekilde yapacaksin" diye soyluyor.

"This is how to build the structure.

Yapman icin iste DNA dizilisi, iste protein

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

dizilisi.

in order to do it."

So an interesting idea is,

Ve boylece baska bir ilginc fikir olusuyor, Acaba istediginiz herhangi bir maddeyi

what if you could take any material you wanted,

yada periodik tabladaki herhangi bir elementi alip

or any element on the periodic table,

ona ait DNA dizilisini bulsak

and find its corresponding DNA sequence,

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

ve bu dizilisile ona maddeye ait protein dizilisini kodlasak,

ve boylece deniz kulagindan baska bir yapi olustursak

but not build an abalone shell --

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

doğa yoluyl daha once hic calisilma firsati olmamis

baska birsey insa etsek.

Ve burda periyodik tablo var.

And so here's the periodic table.

Ben periyodik tabloyu kesinlikle cok seviyorum.

I absolutely love the periodic table.

Her sene MIT ye yeni gelen ogrenciler icin

Every year for the incoming freshman class at MIT,

soyle diyen bir periyodik tablo hazirladim:

I have a periodic table made that says,

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

MIT ye hosgeldiniz. Simdi elementinizlesiniz.

(Laughter)

ve tabloyu dondurduklerinde degisik PH degerliklerindeki

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

with the pH at which they have different charges.

degisik elektrik yuklu aminoasitkeri goruyorlar.

And so I give this out to thousands of people.

bunu simdiye kadar binlerce ogrenciye dagittim.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Biliyorum burasi Caltech, ve biliyorum tablonun uzerinde MIT yaziyor

ama isteyen olursa yanimda fazladan bir kac tane var.

but I have a couple extra if people want it.

bu yil Baskan

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

Obama MIT i ziyaret ettigi sirada benim labaratuarimi

ziyaret ettigim icin gercekten cok sansliydim.

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

Ve O'na gercekten bir periyodik tablo hediye etmek istiyordum.

Bunu butun gece dusundum, esimle konustum

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

"Baskan Obama'ya periyodik tabloyu nasil verebilirim?"

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Ya " aa ben de bir tane var" derse

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

yada "ben onu zaten ezbere biliyorum" derse?

(Laughter)

Ve ziyaret zamani geldi

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

gercekten cok guzel bir ziyaretti

And then afterward, I said,

ve sonra ben soyle dedim

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

"Efendim, Eger zor durumda kalir ve

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

molekül ağırlığıni hesap etme ihtiyaciniz olur diye size periyodik tablo vermek istiyorum. "

(Laughter)

molekül ağırlığın mol agirligina gore daha az inek

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

olur diye dusundum.

(Laughter)

Baskan tabloya bakti

And he looked at it and said,

ve soyle dedi:

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

"tesekkur ederim, periyodik olarak kullanicam"

(Laughter)

(Gulusmeler)

(Applause)

(Alkis)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Daha sonra temiz enerji konusunda bir konusma yapti

he pulled it out and said,

ve ona verdigim periodik tabloyu cikartip:

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

"MIT deki insanlar periyodik tablo veriyor" dedi.

Yani temel olarak size soylemedigim su ki

So basically what I didn't tell you

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

Organizmalarin maddeleri yapmaya baslamasi yaklasik 500 milyon yil once

fakat bu iste iyi olmalari onlarin 50 milyon senelerini almis.

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

Organizmalar 50 milyon senelerini

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

mukemmel bir deniz kulagi yapmayi ogrenmek icin vermisler.

ve bunu bir yuksek lisans ogrencisine anlatmak cok zor.

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

"Senin icin mukemmel bir projem var-50 milyon senelik"

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

iste bu yuzden bizim bunu

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

daha cabuk yapavak bir yol gelistirmemiz gerekli.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

bu yuzden biz non-toxic M13

bakteriofaj denilen ve gorevi

bakteriyi enfekte etmek olan bir virus kullaniyoruz.

whose job is to infect bacteria.

onun basit bir DNA yapisi

Well, it has a simple DNA structure

var ve siz baska DNA dizilerini

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

onun DNA sina kesip yapistirabiirsiniz.

Bu sekilde virus rastgele

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

protein dizilerini nakil edebilir.

This is pretty easy biotechnology,

bu cok basit bir biyoteknoloji.

and you could basically do this a billion times.

Ve bunu isterseni milyarlarca kere yapabilirsiniz.

So you can have a billion different viruses

Buna devam ediyorsunuz ve genetik yapisi ayni olan

milyarlarca virus elde ediyorsunuz..

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

fakat sadece

bir protein dizilisini

on one sequence,

saglayan kodlari farkli.

that codes for one protein.

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

simdibu milyarlarca virusu

bir damla sivinin icine koysak

you can force them to interact with anything you want

onlari periyodik tabla uzerindeki istediginiz herhangi bir element ile etkilesmeye zorlayabilir

on the periodic table.

ve seleksiyon evriminin isleyisine gore

And through a process of selection evolution,

sizin hosunuza giden bir tanesini bu milarlarca virusun icinden cekip alabiliriz.

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

bu sanki bir pil yada gunes pil yetistirmeye benziyor.

like grow a battery or a solar cell.

basitce, virusler kendi kendilerine cogalamazlar. onlara bir ev sahibi gereklidir.

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

Ne zaman aradiginiz isi yapan virusu bir milyarin icinde buldunuz

Once you find that one out of a billion,

onu bir bakteriye enfekte edersiniz.

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

ve ondan belli dizilisi olan milyonlarca

of that particular sequence.

ve milyarlarca kopya elde etmis olursunuz.

The other thing that's beautiful about biology

Biolojinin diger bir guzelligi de

is that biology gives you really exquisite structures

size gercekten cok zarif yapilari

uygun olcekteki baglantilari ile verir.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

bu virusler uzun ve ince

and we can get them to express the ability

bu ozelliklerini yariiletken maddeler

to grow something like semiconductors

yada piller icin materyeller

or materials for batteries.

elde etmekte kullanabiliriz.

Iste bu gordugunuz laboratuvarda urettigimiz yuksek guclu bir pil.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

bir virusu karbon nanotupleri tutan bir muhendis haline getirdik.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

yani virusuun bir kismi karbon nanotubleri tutarken

the other part of the virus has a sequence

diger kismi pil icin gerekli materyeli uretecek

diziye sahip.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

materyal buyudukce akim iletkeninin uzerinde bir tel seklini aliyor

And so through a process of selection evolution,

secici evrim sayesinde

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

siradan bir pil insa eden virusten

kaliteli pil, yuksek guce sahip

to a virus that made a good battery

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

pil yapabilen bir virus elde ettik.

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

ve bunlarin hepsi basit bir laboratuar tezgahinda ve oda sicakliginda yapildi.

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

Bu yaptigimiz pil, Beyaz Sarayi bir basin toplantisi icin ziyaret etti.

onu buraya da getirdim.

and I brought it here.

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

iste bu gordugunuz LED isigini calistiran pil o pil.

Now if we could scale this,

Eger bunun olculerini degistirirsek

you could actually use it to run your Prius,

bunu Prius da (Toyota prius hibrid araba)

kullanabilecesiniz

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

ki virus gucu ile calitirilan bir araba benim hayallimdi.

(Laughter)

ama bu basitce

But basically you can pull one out of a billion,

milyarda birini cekip cikarmak.

and make lots of amplifications to it.

Bunu birçok ilâvelerle yapabilirsiniz.

Basically, you make an amplification in the lab,

bu ilaveleri laboratuarda yapmaniz mumkun.

daha sonra bu yapiyi birlestirip

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

pil seklini veriyorsunuz.

We're able to do this also with catalysis.

Bunu katalizorlerle de yapmaniz mumkun

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

bu ornekte gordugunuz gibi

bu suyun fotokatalik parcalanmasi.

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

bunu su sekilde yapmayi basardik:

virus boya emen molekulleri tutmasi icin dizayn edildi.

to basically take dye-absorbing molecules

ve bu molekuller virusun uzerine dizildi

and line them up on the surface of the virus

ve anten gibi davrandi

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

boylece virus uzerinden enerji transferini sagladik.

ve viruse suyu

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

hidrijen ve oksijene ayiracak

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

inorganik materyeli olusturmasi icin

ikinci bir gen verdik.

that can be used for clean fuels.

bu yapi temiz yakitlar icin kullanilabilir.

I brought an example of that with me today.

Buraya bir ornegini getirdim.

My students promised me it would work.

Ogrencilerim bana calisacagina dair soz verdiler.

These are virus-assembled nanowires.

bunlar viruslerden olusmus nanoteller.

uzerlerine isik tuttugumuda baloncuklar cikardiklarini goreceksiniz.

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

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

oksiyen gazi olusuyor.

(Applause)

verilen geni kontrol ederek

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

olusturdugunuz maddenin ozelliklerini cihazinizin performansi icin gelistirebilirsiniz.

son ornegim gunes pilleri.

The last example are solar cells.

bunu gunes pilleri icin de yapabilirsiniz.

You can also do this with solar cells.

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

biz karbon nanotubleri tutacak

virusleri olusturduk

and then grow titanium dioxide around them,

ve onlarin cevresine titanyum dioksit ile kapladik

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

bu sayede aletten elektron akisini elde elebiliriz.

And what we've found is through genetic engineering,

ve anladik ki, gen muhendisligi ile

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

boya hassasiyetli

gunes pillerinin

to record numbers

performansini

for these types of dye-sensitized systems.

arttirabilirsiniz.

And I brought one of those as well,

Size bunlardan da bir tane getirdim.

that you can play around with outside afterward.

Bunlarla birazdan goz atabilirsiniz.

bu virus tabanli gunes pili.

So this is a virus-based solar cell.

Seleksiyon ve evrim yolu ile

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

biz % 8 performansligunes pillerini

% 11 lik performansa cikartabildik.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Umarim sizi pgrenilecek bircok mukemmel

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

ve ilginc sey

Ve dohanin nasil maddeleri yaptigi hakkinda

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

ve eger zorlarsaniz

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

bir sonraki basamaga gecebilecegimiz hakkinda

yada doganin bile henuz yapmayi hayal edemedigi maddeleri

insa etmek ve kullanmak konusunda ikna edebilmisimdir.

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

Thank you.

Teşekkür ederim.

(Applause)