WEBVTT

00:00:00.000 --> 00:00:03.000
Ich dachte, ich erzähle ein wenig davon, wie die Natur Stoffe schafft.

00:00:03.000 --> 00:00:05.000
Hier habe ich eine Abalone-Muschel.

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Diese Abalone-Muschel ist ein Biokomposit,

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das zu 98 Massenprozent aus Calziumkarbonat besteht

00:00:11.000 --> 00:00:13.000
und zwei Massenprozent Eiweiß.

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Dennoch ist es 3000 Mal so hart

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wie sein geologisches Gegenstück.

00:00:17.000 --> 00:00:20.000
Und viele Menschen nutzen wohl Strukturen wie die Abalone-Muschel,

00:00:20.000 --> 00:00:22.000
wie zum Beispiel Tafelkreide.

00:00:22.000 --> 00:00:24.000
Mich fasziniert schon lang, wie die Natur Stoffe hervorbringt,

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und es kommt eine Menge zusammen,

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dass sie darin so hervorragend ist.

00:00:28.000 --> 00:00:30.000
Ein Teil ist, dass diese Materialien

00:00:30.000 --> 00:00:32.000
eine makroskopische Struktur haben,

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jedoch auf der Nanoebene gebildet werden.

00:00:34.000 --> 00:00:36.000
Sie werden auf der Nanoebene gebildet,

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und sie nutzen Proteine, die auf genetischer Ebene kodiert sind

00:00:39.000 --> 00:00:42.000
und ihnen erlauben, diese wirklich vorzüglichen Strukturen hervorzubringen.

NOTE Paragraph

00:00:42.000 --> 00:00:44.000
Daher bin ich manchmal fasziniert von der Idee

00:00:44.000 --> 00:00:47.000
diesen unbelebten Strukturen

00:00:47.000 --> 00:00:49.000
Leben einzuhauchen,

00:00:49.000 --> 00:00:51.000
wie Batterien und Solarzellen.

00:00:51.000 --> 00:00:53.000
Was, wenn sie einige der Fähigkeiten

00:00:53.000 --> 00:00:55.000
der Abalone-Muschel hätten,

00:00:55.000 --> 00:00:57.000
also in der Lage wären,

00:00:57.000 --> 00:00:59.000
diese vorzüglichen Strukturen zu schaffen,

00:00:59.000 --> 00:01:01.000
bei Raumtemperatur und -druck,

00:01:01.000 --> 00:01:03.000
ohne giftige Chemikalien

00:01:03.000 --> 00:01:06.000
und ohne Umweltvergiftung?

00:01:06.000 --> 00:01:09.000
Das ist also die Vision, die ich seit langem habe.

00:01:09.000 --> 00:01:11.000
Und was, wenn man eine Batterie in einer Petrischale züchten könnte?

00:01:11.000 --> 00:01:14.000
Oder man einer Batterie genetische Information geben könnte,

00:01:14.000 --> 00:01:16.000
so dass sie tatsächlich

00:01:16.000 --> 00:01:18.000
mit der Zeit besser wird,

00:01:18.000 --> 00:01:20.000
und das auf umweltfreundliche Art?

NOTE Paragraph

00:01:20.000 --> 00:01:23.000
Und wenn wir nun zur Abalone-Muschel zurückkehren,

00:01:23.000 --> 00:01:25.000
abgesehen von ihrer Nanostruktur

00:01:25.000 --> 00:01:27.000
begeistert eine Sache:

00:01:27.000 --> 00:01:29.000
wenn eine männliche und eine weibliche Abalone zusammen kommen,

00:01:29.000 --> 00:01:31.000
geben sie genetische Information weiter,

00:01:31.000 --> 00:01:34.000
die sagt: "So baut man ein vorzügliches Material.

00:01:34.000 --> 00:01:36.000
So macht man es bei Raumtemperatur und -druck,

00:01:36.000 --> 00:01:38.000
ohne giftige Stoffe."

00:01:38.000 --> 00:01:41.000
Genauso bei Kieselalgen, gläsernen Strukturen, die man hier sieht.

00:01:41.000 --> 00:01:43.000
Jedes Mal, wenn die Kieselalgen sich vermehren,

00:01:43.000 --> 00:01:45.000
geben sie genetische Information weiter, die sagt:

00:01:45.000 --> 00:01:47.000
"So wird Glas im Meer gemacht,

00:01:47.000 --> 00:01:49.000
das eine perfekte Nanostruktur hat.

00:01:49.000 --> 00:01:51.000
Und das kann man beliebig wiederholen."

00:01:51.000 --> 00:01:53.000
Was wäre, wenn man dassselbe

00:01:53.000 --> 00:01:55.000
mit einer Solarzelle oder Batterie machen könnte?

00:01:55.000 --> 00:01:58.000
Mein liebstes Biomaterial ist ja mein Vierjähriger.

NOTE Paragraph

00:01:58.000 --> 00:02:01.000
Aber jeder der mal eins hatte, oder kleine Kinder kennt weiß,

00:02:01.000 --> 00:02:04.000
dass sie unglaublich komplexe Organismen sind.

00:02:04.000 --> 00:02:06.000
Wenn man sie also überzeugen wollte,

00:02:06.000 --> 00:02:08.000
etwas zu tun, das sie nicht wollen, ist das sehr schwierig.

00:02:08.000 --> 00:02:11.000
Wenn wir über zukünftige Technologien nachdenken,

00:02:11.000 --> 00:02:13.000
denken wir daher eher an den Gebrauch von Bakterien und Viren,

00:02:13.000 --> 00:02:15.000
einfachen Organismen.

00:02:15.000 --> 00:02:17.000
Kann man sie dafür gewinnen, mit einem neuen Werkzeugsatz zu arbeiten,

00:02:17.000 --> 00:02:19.000
damit sie Strukturen hervorbringen,

00:02:19.000 --> 00:02:21.000
die für mich bedeutsam sind?

NOTE Paragraph

00:02:21.000 --> 00:02:23.000
Daneben denken wir an zukünftige Technologien.

00:02:23.000 --> 00:02:25.000
Wir beginnen beim Anfang der Welt.

00:02:25.000 --> 00:02:27.000
Im Grunde brauchte es eine Milliarde Jahre,

00:02:27.000 --> 00:02:29.000
bis auf der Erde Leben enstand.

00:02:29.000 --> 00:02:31.000
Und sehr schnell wurde es vielzellig,

00:02:31.000 --> 00:02:34.000
die Zellen konnten sich teilen, sie konnten Photosynthese

00:02:34.000 --> 00:02:36.000
zur Energiegewinnung einsetzen.

00:02:36.000 --> 00:02:38.000
Aber erst vor etwa 500 Millionen Jahren –

00:02:38.000 --> 00:02:40.000
während der Kambrischen Ära –

00:02:40.000 --> 00:02:43.000
begannen Meeresorganismen, harte Stoffe zu bilden.

00:02:43.000 --> 00:02:46.000
Davor gab es nur weiche, flockige Strukturen.

00:02:46.000 --> 00:02:48.000
Und während dieser Zeit

00:02:48.000 --> 00:02:50.000
gab es vermehrt Kalzium, Eisen

00:02:50.000 --> 00:02:52.000
und Silikon in der Lebenswelt.

00:02:52.000 --> 00:02:55.000
Da lernten die Organismen, harte Stoffe zu bilden.

00:02:55.000 --> 00:02:57.000
Das würde ich also gern können –

00:02:57.000 --> 00:02:59.000
die Biologie dazu bringen,

00:02:59.000 --> 00:03:01.000
mit dem übrigen Teil des Periodensystems zu arbeiten.

NOTE Paragraph

00:03:01.000 --> 00:03:03.000
Wenn man nun die Biologie betrachtet,

00:03:03.000 --> 00:03:05.000
gibt es viele Strukturen wie DNS und Antikörper

00:03:05.000 --> 00:03:07.000
und Proteine und Ribosomen von denen man gehört hat,

00:03:07.000 --> 00:03:09.000
dass sie bereits nanostrukturiert sind.

00:03:09.000 --> 00:03:11.000
Die Natur zeigt uns also bereits

00:03:11.000 --> 00:03:13.000
wirklich bemerkenswerte Strukturen im Nanomaßstab.

00:03:13.000 --> 00:03:15.000
Was, wenn wir sie einspannen könnten,

00:03:15.000 --> 00:03:17.000
und überzeugen, kein Antikörper zu sein,

00:03:17.000 --> 00:03:19.000
der etwas wie HIV hervorbringt?

00:03:19.000 --> 00:03:21.000
Was aber, wenn wir sie dazu bringen könnten,

00:03:21.000 --> 00:03:23.000
eine Solarzelle für uns zu bauen?

00:03:23.000 --> 00:03:25.000
Hier nun einige Beispiele: dies sind einige natürliche Muscheln.

NOTE Paragraph

00:03:25.000 --> 00:03:27.000
Es gibt natürliche biologische Materialien.

00:03:27.000 --> 00:03:29.000
Die Abalone-Muschel hier – und wenn man sie bricht,

00:03:29.000 --> 00:03:31.000
kann man feststellen, das sie eine Nanostruktur hat.

00:03:31.000 --> 00:03:34.000
Diese Diatome sind aus Siliziumdioxid,

00:03:34.000 --> 00:03:36.000
und sie sind magnetotaktische Bakterien,

00:03:36.000 --> 00:03:39.000
die kleine einpolige Magneten zur Navigation ausbilden.

00:03:39.000 --> 00:03:41.000
Sie alle haben gemeinsam,

00:03:41.000 --> 00:03:43.000
dass diese Materialen im Nanomaßstab strukturiert sind,

00:03:43.000 --> 00:03:45.000
und sie haben eine DNS-Sequenz,

00:03:45.000 --> 00:03:47.000
die eine Proteinsequenz beschreibt,

00:03:47.000 --> 00:03:49.000
die ihnen Vorlage ist,

00:03:49.000 --> 00:03:51.000
damit sie diese wunderbaren Strukturen bilden können.

00:03:51.000 --> 00:03:53.000
Nun, kommen wir zurück zur Abalone-Muschel:

00:03:53.000 --> 00:03:56.000
die Abalone produziert diese Muschel, weil sie diese Proteine hat.

00:03:56.000 --> 00:03:58.000
Diese Proteine sind stark negativ geladen.

00:03:58.000 --> 00:04:00.000
Und sie können Kalzium aus der Umgebung anziehen,

00:04:00.000 --> 00:04:03.000
und eine Schicht aus Kalzium und dann Karbonat bilden, Kalzium und Karbonat.

00:04:03.000 --> 00:04:06.000
Sie hat die chemischen Strukturen von Aminosäuren

00:04:06.000 --> 00:04:08.000
die sagen: "So wird diese Struktur gemacht.

00:04:08.000 --> 00:04:10.000
Hier ist die DNS-Sequenz, hier die Proteinsequenz,

00:04:10.000 --> 00:04:12.000
damit es klappt."

00:04:12.000 --> 00:04:15.000
Der interessante Aspekt ist, was man tun könnte, wenn man jedes beliebige Material

00:04:15.000 --> 00:04:17.000
oder jedes Element der Periodentafel nehmen könnte,

00:04:17.000 --> 00:04:20.000
und die korrespondierende DNS-Sequenz finden,

00:04:20.000 --> 00:04:22.000
diese dann für die entsprechende Proteinsequenz programmierte,

00:04:22.000 --> 00:04:25.000
damit eine Struktur einstünde, aber keine Abalone-Muschel –

00:04:25.000 --> 00:04:27.000
etwas zu bauen, auf natürlichen Weg,

00:04:27.000 --> 00:04:30.000
für das es vorher keine Gelegenheit hatte.

NOTE Paragraph

00:04:30.000 --> 00:04:32.000
Hier nun die Periodentafel.

00:04:32.000 --> 00:04:34.000
Und ich liebe die Periodentafel sehr.

00:04:34.000 --> 00:04:37.000
Jedes Jahr wenn die Neulinge ans MIT kommen,

00:04:37.000 --> 00:04:39.000
lasse ich eine Periodentafel machen, auf der steht:

00:04:39.000 --> 00:04:42.000
"Wilkommen am MIT, ihr seid nun in eurem Element."

00:04:42.000 --> 00:04:45.000
Und wenn man es umschlägt sieht man die Aminosäuren

00:04:45.000 --> 00:04:47.000
mit den PH-Werten, bei denen sie verschiedene Ladungen haben.

00:04:47.000 --> 00:04:50.000
So verteile ich das an tausende Leute.

00:04:50.000 --> 00:04:52.000
Und obwohl MIT draufsteht und wir hier in Caltech sind,

00:04:52.000 --> 00:04:54.000
habe ich ein paar mehr dabei, falls jemand eins will.

00:04:54.000 --> 00:04:56.000
Ich hatte das Glück,

00:04:56.000 --> 00:04:58.000
dass Präsident Obama dieses Jahr mein Labor besuchte,

00:04:58.000 --> 00:05:00.000
während seines Besuchs am MIT,

00:05:00.000 --> 00:05:02.000
und ich wollte ihm unbedingt eine Periodentafel schenken.

00:05:02.000 --> 00:05:04.000
Daher blieb ich die ganze Nacht auf, und redete mit meinem Mann,

00:05:04.000 --> 00:05:07.000
"Wie gebe ich Präsident Obama eine Periodentafel?

00:05:07.000 --> 00:05:09.000
Was, wenn er sagt, 'Ah, ich habe schon eine', oder

00:05:09.000 --> 00:05:11.000
'Die kenne ich schon auswendig'?"

00:05:11.000 --> 00:05:13.000
Er kam also in mein Labor,

00:05:13.000 --> 00:05:15.000
sah sich um – es war ein großartiger Besuch.

00:05:15.000 --> 00:05:17.000
Danach sagte ich dann,

00:05:17.000 --> 00:05:19.000
"Sir, ich möchte Ihnen eine Periodentafel schenken,

00:05:19.000 --> 00:05:23.000
falls Sie jemals ein Molekülgewicht berechnen müssen."

00:05:23.000 --> 00:05:25.000
Und ich dachte, Molekülgewicht klänge weniger streberhaft

00:05:25.000 --> 00:05:27.000
als Molekülmasse.

00:05:27.000 --> 00:05:29.000
Er sah es sich also an

00:05:29.000 --> 00:05:31.000
und sagte:

00:05:31.000 --> 00:05:33.000
"Danke, ich werde es mir periodisch ansehen."

00:05:33.000 --> 00:05:35.000
(Lachen)

00:05:35.000 --> 00:05:39.000
(Applaus)

00:05:39.000 --> 00:05:42.000
Und später bei einem Vortrag, den er zu sauberer Energie hielt,

00:05:42.000 --> 00:05:44.000
nahm der die Tafel hervor und sagte:

00:05:44.000 --> 00:05:46.000
"Von den Leuten am MIT bekommt man Periodentafeln."

NOTE Paragraph

00:05:46.000 --> 00:05:49.000
Also, was ich Ihnen nicht erzählt habe,

00:05:49.000 --> 00:05:52.000
ist dass vor etwa 500 Millionen Jahren, Organismen begannen Stoffe herzustellen,

00:05:52.000 --> 00:05:54.000
aber es dauerte fast 50 Millionen Jahre, bis sie gut darin waren.

00:05:54.000 --> 00:05:56.000
Sie brauchten fast 50 Millionen Jahre,

00:05:56.000 --> 00:05:58.000
um zu lernen wie man den Bau einer Abalone-Muschel perfektioniert.

00:05:58.000 --> 00:06:00.000
Das ist Studenten im Aufbaustudium schwer zu verkaufen.

00:06:00.000 --> 00:06:03.000
"Ich habe diese tolle Projekt – 50 Millionen Jahre."

00:06:03.000 --> 00:06:05.000
Wir mussten daher einen Weg finden,

00:06:05.000 --> 00:06:07.000
für unseren Versuch, dies schneller zu tun.

00:06:07.000 --> 00:06:09.000
Wir nehmen also ein Virus, das ungiftig ist,

00:06:09.000 --> 00:06:11.000
M13 Bakteriophagus heißt,

00:06:11.000 --> 00:06:13.000
und Bakterien befällt.

00:06:13.000 --> 00:06:15.000
Es hat eine einfache DNS-Struktur

00:06:15.000 --> 00:06:17.000
die man teilen kann, um

00:06:17.000 --> 00:06:19.000
zusätzliche DNS-Sequenzen einzufügen.

00:06:19.000 --> 00:06:21.000
Und dadurch wird es dem Virus möglich,

00:06:21.000 --> 00:06:24.000
beliebige Proteinstrukturen hervor zu bringen.

NOTE Paragraph

00:06:24.000 --> 00:06:26.000
Das ist ziemlich einfache Biotechnologie.

00:06:26.000 --> 00:06:28.000
Man könnte das im Grunde eine Million Mal machen.

00:06:28.000 --> 00:06:30.000
Man kann also eine Milliarde verschiedene Viren erhalten,

00:06:30.000 --> 00:06:32.000
die genetisch alle identisch sind,

00:06:32.000 --> 00:06:34.000
aber verschieden hinsichtlich der Spitzen

00:06:34.000 --> 00:06:36.000
einer Sequenz

00:06:36.000 --> 00:06:38.000
die ein Protein kodiert.

00:06:38.000 --> 00:06:40.000
Wenn man nun die Milliarde Viren nimmt –

00:06:40.000 --> 00:06:42.000
und sie passen alle in einen Tropfen Flüssigkeit –

00:06:42.000 --> 00:06:45.000
kann man sie zwingen, mit irgendwas im Periodensystem zu interagieren.

00:06:45.000 --> 00:06:47.000
Und durch eine Abfolge von Auswahl-Evolution,

00:06:47.000 --> 00:06:50.000
kann man eines aus einer Milliarde fischen, das tut was man will,

00:06:50.000 --> 00:06:52.000
wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Solarzelle wachsen lassen.

NOTE Paragraph

00:06:52.000 --> 00:06:55.000
Grundsätzlich können Viren sich nicht selbst vermehren, sie brauchen einen Wirt.

00:06:55.000 --> 00:06:57.000
Sobald man das eine in der Milliarde gefunden hat,

00:06:57.000 --> 00:06:59.000
infiziert man ein Bakterium,

00:06:59.000 --> 00:07:01.000
und erhält Millionen und Milliarden Kopien

00:07:01.000 --> 00:07:03.000
dieser speziellen Sequenz.

00:07:03.000 --> 00:07:05.000
Was daher noch schön ist an der Biologie,

00:07:05.000 --> 00:07:07.000
ist dass Biologie wirklich für vorzügliche Strukturen sorgt

00:07:07.000 --> 00:07:09.000
mit schönen Größenordnungen der Verknüpfungen.

00:07:09.000 --> 00:07:11.000
Und diese Viren sind lang und dünn,

00:07:11.000 --> 00:07:13.000
und wir können ihnen beibringen, die Fähigkeit zu zeigen,

00:07:13.000 --> 00:07:15.000
etwas wie Halbleiter wachsen zu lassen,

00:07:15.000 --> 00:07:17.000
oder Stoffe für Batterien.

NOTE Paragraph

00:07:17.000 --> 00:07:20.000
Nun, dies ist eine leistungsstarke Batterie, die wir in unserem Labor haben wachsen lassen.

00:07:20.000 --> 00:07:23.000
Wir haben einen Virus so manipuliert, dass er Kohlenstoff-Nanoröhren aufnimmt.

00:07:23.000 --> 00:07:25.000
Der eine Teil des Virus nimmt also Kohlenstoff-Nanoröhren auf,

00:07:25.000 --> 00:07:27.000
der andere Teil des Virus hat eine Sequenz,

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die ein Elektrodenmaterial für eine Batterie wachsen lassen kann.

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Und dann verbindet es sich mit dem Spannungskollektor.

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Und so kamen über einen Prozess selektiver Evolution

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von einem Virus, das eine lausige Batterie machte,

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zu einem Virus, das eine gute Batterie machte,

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zu einem Virus, das eine Rekord brechende, leistungsstarke Batterie machte,

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und das alles bei Raumtemperatur, im Grunde auf der Werkbank.

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Und diese Batterie ging ans Weiße Haus anlässlich einer Pressekonferenz.

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Ich hab sie mitgebracht.

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Sie können sie hier in diesem Gehäuse sehen – sie treibt diese LED.

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Wenn wir das nun skalieren könnten,

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könnte man es tatsächlich benutzen,

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um einen Prius anzutreiben,

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was mein Traum ist – in der Lage zu sein, ein virusgetriebenes Auto zu fahren.

NOTE Paragraph

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Aber im Grunde –

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man nimmt einen aus einer Milliarde.

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Man kann es auf vielerlei Weise verstärken.

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Normalerweise macht man die Verstärkung im Labor,

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und dann bringt man es dazu, sich selbst

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in die Struktur einer Batterie zusammenzufügen.

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Wir können das auch katalysieren.

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Hier ist ein Beispiel

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von photokatalytischer Wassertrennung.

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Und wir haben es geschafft,

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das Virus dazu zu bringen, im Grunde farbabsorbierende Moleküle

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zu nehmen, und diese auf der Oberfläche des Virus aufzureihen,

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damit es als Antenne fungiert,

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und man einen Energietransfer durch das Virus bekommt.

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Dann bringen wir ein zweites Gen ein,

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um ein anorganisches Material zu erzeugen,

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dass für die Spaltung des Wassers in Sauerstoff

00:08:40.000 --> 00:08:42.000
und Wasserstoff benutzt werden kann,

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der für saubere Treibstoffe verwendet werden kann.

00:08:44.000 --> 00:08:46.000
Davon habe ich heute ein Exemplar dabei.

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Meine Studenten haben mir versprochen, dass es funktioniert.

00:08:48.000 --> 00:08:50.000
Das sind Nanokabel, die von Viren verlegt wurden.

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Wenn man sie Licht aussetzt, kann man Blasen sehen.

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In diesem Fall sieht man Sauerstoffblasen heraus kommen.

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Im Prinzip kann man durch Steuerung der Gene

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verschiedene Materialien steuern, um die Geräteleistung zu verbessern.

NOTE Paragraph

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Das letzte Beispiel sind Solarzellen.

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Man kann dies auch mit Solarzellen machen.

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Wir konnten Viren dazu bringen,

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Nanoröhren aufzunehmen

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und auf ihnen Titaniumdioxid anzulagern –

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damit Elektronen durch das Gerät hindurch können.

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Wir haben herausgefunden – mittels Gentechnik –

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dass wir tatsächlich die Effizienz

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dieser Solarzellen auf Rekordzahlen

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erhöhen können,

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bei dieser Art farbsensitivierter Systeme.

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Und davon habe ich auch eins mitgebracht,

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mit dem Sie später draußen herumspielen können.

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Dies ist also eine Solarzelle auf Basis eines Virus.

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Mittels Evolution und Selektion

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haben wir aus einer Solarzelle mit acht Prozent Wirkungsgrad

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eine Solarzelle mit elf Prozent Wirkungsgrad gemacht.

NOTE Paragraph

00:09:46.000 --> 00:09:48.000
Ich hoffe, ich konnte Sie überzeugen,

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dass es eine Menge großartiger, interessanter Dinge zu lernen gibt,

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darüber wie die Natur Stoffe bildet –

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und wie man das auf die nächste Stufe hebt,

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um zu sehen, ob man die Art der natürlichen Stofferzeugung

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forcieren kann, oder sie dazu nutzen,

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Dinge herzustellen, deren Herstellung die Natur sich bislang nicht hat träumen lassen.

NOTE Paragraph

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Ich danke Ihnen.