Angela Belcher: Using nature to grow batteries

Angela Belcher: Sử dụng tự nhiên để "trồng" pin

Translator: Minh Trang Lai Reviewer: Huyen Bui

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

Tôi nghĩ tôi sẽ nói 1 chút về cách mà tự nhiên tạo ra vật chất.

I brought along with me an abalone shell.

Tôi mang đến đây 1 vỏ bào ngư.

Cái vỏ bào ngư này là 1 vật liệu phức hợp sinh học

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

nó có 98% khối lượng là canxi cacbonat

and two percent by mass protein.

và 2% là protêin.

Nhưng, nó bền gấp 3000 lần

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

những bản sao địa chất.

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

Và rất nhiều người có thể đã sử dụng những cấu trúc tương tự như những chiếc vỏ bào ngư,

ví dụ như phấn viết bảng.

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

Tôi đã bị mê hoặc bởi cách mà tự nhiên tạo ra các vật liệu,

và có rất nhiều quy trình

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

để chúng thực hiện công việc đầy tinh tế này.

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

Một phần trong số đó là những vật chất này

là những cấu trúc vĩ mô,

nhưng chúng được tạo ra ở tầm nano.

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

Chúng được tạo ra ở tầm nano,

and they use proteins that are coded by the genetic level

và chúng sử dụng protêin được mã hóa trong gen

để tạo ra những cấu trúc thực sự tinh vi.

that allow them to build these really exquisite structures.

Tôi nghĩ sẽ thật là tuyệt vời

So something I think is very fascinating is:

nếu bạn có thể trao sự sống

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

cho những cấu trúc vô tri,

like batteries and like solar cells?

như pin hay pin sử dụng năng lượng mặt trời?

What if they had some of the same capabilities

Hãy thử tưởng tượng, nếu chúng có được 1 số khả năng

như là cái vỏ bào ngư,

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

trong việc

xây dựng những cấu trúc thực sự tinh vi

at room temperature and room pressure,

ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí,

using nontoxic chemicals

sử dụng những hóa chất không độc hại

and adding no toxic materials back into the environment?

và không thải ra bất kì hóa chất độc hại nào vào môi trường?

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

Đó chính là tầm nhìn mà tôi luôn nghĩ tới.

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

Và sẽ ra sao nếu bạn có thể "trồng" pin ở 1 cái đĩa Petri?

Hoặc, sẽ ra sao nếu bạn có thể đưa thông tin di truyền mã hóa cho pin

Or what if you could give genetic information to a battery

để nó thực sự trở nên tốt hơn

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

như là 1 chức năng của thời gian,

và làm như vậy bằng 1 cách thân thiện với môi trường?

in an environmentally friendly way?

Và giờ, quay trở lại với chiếc vỏ bào ngư này,

And so, going back to this abalone shell,

bên cạnh cấu trúc nano của nó,

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

1 điều nữa thực sự rất hấp dẫn,

when a male and female abalone get together,

đó là khi bào ngư đực và cái kết đôi với nhau,

they pass on the genetic information that says,

chúng truyền đi những thông tin di truyền

cho thấy, "Đây là cách để tạo ra những vật chất tinh vi.

"This is how to build an exquisite material.

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

Là cách có thể làm ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí,

sử dụng các vật liệu không độc."

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

Tảo cát cũng vậy, ở trên slide này, chúng là những cấu trúc thủy tinh.

which are glasseous structures.

Mỗi khi tảo cát sinh sản,

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

chúng truyền đi những thông tin di truyền cho thấy,

"Đây là cách tạo thủy tinh ở đại dương

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

có cấu trúc nano hoàn hảo.

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

Và bạn có thể làm điều tương tự, lăp đi lặp lại."

Vậy sẽ ra sao nếu bạn có thể làm điều tương tự

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

với pin mặt trời hoặc pin hóa học?

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

Tôi muốn nói rằng chất liệu sinh học tôi khoái nhất là nhóc con mới 4 tuổi của tôi.

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

Nhưng bất kì ai đã từng có, hay biết về trẻ con

đều biết chúng là những sinh vật phức tạp đến đáng kinh ngạc.

they're incredibly complex organisms.

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

Vậy nếu bạn muốn thuyết phục chúng

làm những điều chúng không muốn, điều đó là rất khó.

it's very difficult.

Vì thế, khi chúng ta nghĩ đến các công nghệ tương lai,

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

thực chất là chúng ta nghĩ đến việc sử dụng vi khuẩn và vi rút,

những sinh vật đơn giản.

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

Liệu bạn có thể thuyết phục chúng làm việc với 1 chiếc hộp công cụ mới

để có thể tạo ra nhưng cấu trúc

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

sẽ trở nên quan trọng với tôi hay không?

Also, when we think about future technologies,

Đồng thời, chúng tôi nghĩ về những công nghệ tương lai.

we start with the beginning of Earth.

Chúng tôi bắt đầu với sự hình thành Trái Đất.

Về cơ bản, sẽ mất đến cả tỉ năm

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

để sự sống tồn tại trên Trái Đất.

And very rapidly, they became multi-cellular,

Và rất nhanh chóng, chúng trở thành đa tế bào,

chúng có thể tái tạo, chúng có thể sử dụng sự quang hợp

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

như là 1 nguồn năng lượng.

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

Nhưng chỉ tới 500 triệu năm trước --

trong thời kì địa chất Cambri --

during the Cambrian geologic time period --

thì những sinh vật ở biển mới bắt đầu tạo nên những vật chất cứng.

that organisms in the ocean started making hard materials.

Trước đó, chúng đều là những cấu trúc mềm và có lông tơ.

Before that, they were all soft, fluffy structures.

Cũng trong khoảng thời gian đó

It was during this time that there was increased calcium,

có sự tăng lên của canxi, sắt,

iron and silicon in the environment,

và silicon trong môi trường.

and organisms learned how to make hard materials.

Và những sinh vật này học cách tạo ra những vật chất cứng.

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

Và đó cũng là điều là tôi muốn làm --

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

thuyết phục sinh học

làm việc với "phần còn lại của bảng tuần hoàn".

Now, if you look at biology,

Giờ nếu bạn nhìn vào sinh học,

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

có rất nhiều cấu trúc như DNA và kháng thể

và prôtêin hay ri-bô-xôm mà chúng ta biết

you've heard about,

chúng chính là những cấu trúc nano.

that are nanostructured --

Vậy là tự nhiên đã cho chúng ta

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

những cấu trúc thực sự tinh vi ở mức nano rồi.

What if we could harness them

Sẽ ra sao nếu chúng ta có thể trang bị cho chúng

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

và thuyết phục chúng đừng trở thành những kháng nguyên

làm những việc tương tự như HIV?

Mà chúng ta có thể thuyết phục chúng

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

tạo ra pin mặt trời cho chúng ta?

Và đây là 1 số ví dụ: đây là một vài cái vỏ trong tự nhiên.

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

Chúng là những vật liệu sinh học tự nhiên.

The abalone shell here.

Cái vỏ bào ngư ở đây -- nếu bạn bẻ gãy nó,

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

bạn có thể thấy nó thực sự có cấu trúc nano.

Còn đây là tảo cát tạo bởi SIO2,

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

và chúng là vi khuẩn điện từ

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

có thể tạo ra những nam châm 1 cực nhỏ dùng để định vị.

What all these have in common

Chúng đều có chung 1 đặc điểm là

is these materials are structured at the nano scale,

những vật chất này đều được kết cấu ở tầm nano,

và chúng có các chuỗi DNA

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

để mã hóa cho chuỗi protein,

that gives them the blueprint

mà mang đến cho chúng những bản thiết kế

to be able to build these really wonderful structures.

cho phép xây dựng những cấu trúc thực sự tuyệt vời.

Now, going back to the abalone shell,

Và giờ, quay trở lại với cái vỏ bào ngư,

bào ngư tạo ra cái vỏ này bằng những protêin đó.

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

Những protein này tích điện âm

They can pull calcium out of the environment,

nên chúng có thể "hút" nguyên tử canxi từ môi trường xung quanh,

sắp xếp thành 1 lớp canxi rồi 1 lớp cacbon, canxi rồi cacbon.

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

Những protêin tạo thành bởi các axit amin

It has the chemical sequences of amino acids which says,

cho thấy, "Đây là cách để xây dựng các cấu trúc.

"This is how to build the structure.

Đây là chuỗi DNA, còn đây là chuỗi protein

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

để tạo nên nó."

in order to do it."

So an interesting idea is,

Và ý tưởng thú vị là, sẽ ra sao nếu bạn có thể lấy bất kì vật chất nào bạn muốn,

what if you could take any material you wanted,

hay bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn,

or any element on the periodic table,

và tìm chuỗi DNA tương ứng,

and find its corresponding DNA sequence,

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

sau đó mã hóa nó thành 1 chuỗi protêin

để tạo nên 1 cấu trúc, nhưng không phải là cái vỏ bào ngư --

but not build an abalone shell --

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

mà 1 thứ khác, thông qua tự nhiên,

chưa bao giờ chúng có cơ hội thực hiện.

Và đây là 1 bảng tuần hoàn hóa học.

And so here's the periodic table.

Tôi yêu nó lắm.

I absolutely love the periodic table.

Hàng năm, trong lớp học cho sinh viên mới tại MIT,

Every year for the incoming freshman class at MIT,

tôi cho in các bảng tuần hoàn với câu nói,

I have a periodic table made that says,

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

"Chào mừng đến với MIT. Giờ bạn nằm trong nguyên tố của mình."

(Laughter)

Và nếu bạn lật sang mặt bên kia thì sẽ thấy các axit amin

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

with the pH at which they have different charges.

với các độ pH tương ứng với điện tích của các axit amin.

And so I give this out to thousands of people.

Và tôi đã phát bảng tuần hoàn này cho hàng ngàn người.

And I know it says MIT and this is Caltech,

Tôi nói, đây là MIT, mà đây là Caltech,

nhưng tôi vẫn còn thừa vài cái đấy, ai đó muốn lấy.

but I have a couple extra if people want it.

Và tôi đã thực sự may mắn

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

khi đón Tổng thống Obama đến thăm phòng thí nghiệm của mình năm nay

trong chuyến thăm của ngài đến MIT,

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

và tôi thực sự muốn đưa ông ấy 1 bảng tuần hoàn.

Tôi đã thức đến tận khuya, và nói chuyện với chồng mình,

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

"Làm sao em có thể đưa cho Tổng thống Obama 1 bảng tuần hoàn đây?

"How do I give President Obama a periodic table?

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

Sẽ ra sao nếu ông nói, 'Oh, tôi đã có 1 cái rồi,'

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

hay, 'Tôi đã thuộc nó rồi'?"

(Laughter)

Và rồi ông đến thăm phòng thí nghiệm của tôi

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

và xem xét xung quanh -- đó thực sự là 1 chuyến thăm tuyệt vời.

And then afterward, I said,

Và rồi, tôi nói,

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

"Thưa ngài, tôi muốn đưa cho ngài 1 bảng tuần hoàn

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

phòng khi ngài gặp chuyện phiền phức và cần tính trọng lượng của phân tử."

(Laughter)

Và tôi đã nghĩ "trọng lượng phân tử" nghe có vẻ ít kì quặc

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

hơn là "khối lượng phân tử gam".

(Laughter)

Và rồi ông ấy nhìn nó,

And he looked at it and said,

và nói,

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

"Cảm ơn. Tôi sẽ xem nó 1 cách định kỳ."

(Laughter)

(Tiếng cười)

(Applause)

(Vỗ tay)

Later in a lecture that he gave on clean energy,

Sau đó trong giờ thuyết trình về năng lượng sạch,

he pulled it out and said,

ông đã lấy nó ra và nói,

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

"Và những người ở MIT, họ phân phối những bảng tuần hoàn."

Về cơ bản, điều mà tôi chưa nói với bạn

So basically what I didn't tell you

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

là khoảng 500 triệu năm trước, những sinh vật bắt đầu tạo nên vật chất,

nhưng mất đến 50 triệu năm để có thể làm tốt được nó.

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

Và chúng đã mất khoảng 50 triệu năm

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

để học cách làm sao để tạo ra cái vỏ bào ngư 1 cách hoàn hảo.

Và đề tài này hơi khó "bán" cho các nghiên cứu sinh.

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

"Tôi có 1 dự án tuyệt vời -- 50 triệu năm."

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

Và chúng ta buộc phải phát triển cách nào đó

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

để làm việc này nhanh hơn.

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

Chúng tôi sử dụng những vi rút không độc

tên là M13

có chức năng nhiễm vào vi khuẩn.

whose job is to infect bacteria.

Và nó có 1 cấu trúc DNA rất đơn giản

Well, it has a simple DNA structure

cho phép bạn thâm nhập để cắt và dán thêm

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

những chuỗi DNA bổ sung.

Bằng cách này, nó cho phép vi rút

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

phiên mã các chuỗi protêin bất kì.

This is pretty easy biotechnology,

Đó chỉ là công nghệ sinh học rất đơn giản mà thôi.

and you could basically do this a billion times.

Và về cơ bản, bạn có thể làm việc đó cả tỷ lần.

So you can have a billion different viruses

Bạn có thể thâm nhập và có hàng tỉ các vi rút khác loại

nhưng đều giống nhau về mặt di truyền,

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

chỉ khác nhau ở

ở 1 chuỗi DNA

on one sequence,

mã hóa cho 1 protêin.

that codes for one protein.

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

Giờ, nếu bạn lấy tất cả 1 tỉ vi rút đó,

và đặt chúng trong 1 giọt chất lỏng,

you can force them to interact with anything you want

bạn có thể bắt chúng tương tác với bất kì thứ gì bạn muốn trong bảng tuần hoàn.

on the periodic table.

Dựa trên quá trình của sự tiến hóa chọn lọc này,

And through a process of selection evolution,

bạn có thể làm được điều gì đó bạn muốn,

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

như là "trồng" pin hay các pin năng lượng mặt trời.

like grow a battery or a solar cell.

Thực ra vi rút không thể tái tạo chính mình, chúng cần 1 vật chủ.

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

Một khi bạn đã tìm ra 1 trong số một tỷ đó,

Once you find that one out of a billion,

bạn có thể gây nhiễm nó vào 1 vi khuẩn,

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

và tạo ra hàng triệu hay hàng tỉ phiên bản

of that particular sequence.

của chuỗi đặc biệt đó.

The other thing that's beautiful about biology

Vậy điều tuyệt vời khác về sinh học

is that biology gives you really exquisite structures

là sinh học mang đến cho bạn những cấu trúc thực sự tinh tế

với những mạng lưới tuyệt vời.

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

Và với những vi rút dài và nhỏ này,

and we can get them to express the ability

chúng ta có thể khiến chúng thể hiện khả năng

to grow something like semiconductors

"trồng" thứ gì đó như là chất bán dẫn

or materials for batteries.

hay nguyên liệu cho pin.

Và đây là 1 cục pin năng lượng lớn mà chúng tôi đã trồng trong phòng thí nghiệm.

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

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

Chúng tôi đã thiết kế 1 con vi rút có thể thu được ống cacbon nano.

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

Thực ra 1 phần trong con vi rút đó tóm được cái ống cacbon nano.

the other part of the virus has a sequence

Còn phần còn lại mang 1 chuỗi

có khả năng trồng vật liệu điện cực cho 1 cục pin.

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

Và sau đó nó tự kết nối với đầu thu.

And so through a process of selection evolution,

Vậy là thông qua quá trình tiến hóa có chọn lọc,

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

chúng tôi đã đi từ 1 vi rút có khả năng tạo ra 1 cục pin không giá trị

đến 1 vi rút có thể tạo ra 1 cục pin tốt

to a virus that made a good battery

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

rồi đến vi rút tạo ra những pin năng lượng cao

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

và tất cả được tạo ra ở nhiệt độ phòng, về cơ bản là ngay trên mặt bàn thí nghiệm.

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

Và cục pin này đã tới Nhà Trắng trong 1 buổi họp báo,

chính tôi đã mang nó tới.

and I brought it here.

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

Bạn có thể nhìn thấy -- nó đang chiếu sáng cái đèn LED này.

Now if we could scale this,

Và nếu chúng ta có thể đo tỉ lệ nó,

you could actually use it to run your Prius,

chúng ta thực sự có thể dùng nó

để chạy Prius của bạn,

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

đó chính là ước mơ của tôi -- có thể lái 1 chiếc xe lấy năng lượng từ vi rút.

(Laughter)

Về cơ bản,

But basically you can pull one out of a billion,

bạn có thể lấy 1 trong số 1 tỉ,

and make lots of amplifications to it.

rồi khuyếch đại lên.

Basically, you make an amplification in the lab,

Bạn có thể khuếch đại nó ở trong phòng thí nghiệm.

Rồi để nó tự "lắp ráp"

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

thành những cấu trúc như 1 cục pin.

We're able to do this also with catalysis.

Chúng tôi có khả năng làm việc đó với chất xúc tác.

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

Đây là ví dụ

của phương pháp tách nước bằng phương pháp quang xúc tác (photocatalytic).

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

Và chúng tôi đã có thể

thiết kế 1 con vi rút để lấy các phân tử hấp thụ ánh sáng

to basically take dye-absorbing molecules

rồi xếp chúng trên bề mặt của vi rút

and line them up on the surface of the virus

và biến nó thành 1 cái ăng ten,

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

và bạn có thể vận chuyển năng lượng thông qua vi rút.

Sau đó chúng tôi cho nó gen thứ 2

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

để trồng 1 hợp chất vô cơ

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

có thể sử dụng để tách nước

thành oxy và hydro,

that can be used for clean fuels.

hay có thể dùng trong nhiên liệu sạch.

I brought an example of that with me today.

Tôi mang ví dụ này tới đây.

My students promised me it would work.

Và những sinh viên của tôi hứa chắc rằng nó sẽ hoạt động.

These are virus-assembled nanowires.

Đây là những dây nano lắp ráp bởi vi rút.

Khi bạn chiếu sáng chúng, bạn có thể thấy chúng nổi bong bóng.

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

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

Trong trường hợp này, bạn có thể thấy những bọt khí oxy nổi lên.

(Applause)

Và bằng cách kiểm soát gen,

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

bạn có thể kiểm soát nhiều vật liệu khác nhau để cải tiến hiệu suất của thiết bị.

Và ví dụ cuối cùng là những pin sử dụng năng lượng mặt trời.

The last example are solar cells.

Bạn có thể làm điều này với chúng.

You can also do this with solar cells.

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

Chúng tôi đã thiết kế các vi rút

có thể thu được các ống cacbon nano

and then grow titanium dioxide around them,

và sau đó trồng Ti02 xung quanh chúng --

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

và sử dụng cách này để thu điện tử dựa vào các thiết bị.

And what we've found is through genetic engineering,

Và chúng tôi nhận ra rằng, thông qua các ứng dụng của liệu pháp di truyền,

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

chúng tôi thực sự có thể tăng

hiệu suất của các pin mặt trời này

to record numbers

để lưu lại các con số

for these types of dye-sensitized systems.

cho các hệ thống nhạy sáng kiểu này.

And I brought one of those as well,

Và tôi cũng mang tới đây 1 trong số chúng

that you can play around with outside afterward.

để bạn xem chơi sau bài nói này.

Đây chính là 1 cục pin mặt trời lấy gốc từ vi rút.

So this is a virus-based solar cell.

Thông qua sự tiến hóa và chọn lọc,

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

chúng ta có thể tăng hiệu suất của pin mặt trời từ 8%

lên tới 11%.

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

Và tôi mong rằng tôi đã có thể thuyết phục bạn

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

rằng có rất nhiều điều thú vị và tuyệt vời cần học hỏi

về cách mà tự nhiên tạo ra vật chất --

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

và tiến tới bước tiếp theo

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

để xem liệu bạn có thể thúc đẩy,

hay lợi dụng việc này,

để tạo ra những thứ mà tự nhiên chưa từng mơ tới.

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

Thank you.

Cảm ơn các bạn.

(Applause)