Как да използваме природата за да правим батерии

Вдъхновена от черупката на морски охлюв, Анджела Белчър програмира вируси, за да прави елегантни структури от наномащаб, които хората могат да използват. Подбирайки най-добре представящите се гени чрез насочена еволюция, тя произвежда вируси, които могат да изграждат нови мощни батерии, чисти водородни горива и слънчеви батерии, чупещи рекорди. На TEDxCaltech тя ни показва как се прави това.

Мислех, че може да поговоря малко за това как природата прави материали.

Донесох със себе си черупката на един морски охлюв.

Черупката на този охлюв е биокомпозитен материал,

който е 98% калциев карбонат

и два процента протеин.

И въпреки това е 3000 пъти по-здрав,

отколкото неговия геоложки аналог.

И много хора използват структури подобни на черупки на морски охлюви,

като тебешира.

Очарована съм от начина, по който природата прави материали,

и има много тайни,

за това как те правят такава изискана работа.

Част от това е, че тези материали

са видими с просто око по структура,

но те са формирани в наномащаб.

Те се образуват в наномащаб,

и използват протеини, които са кодирани на генетично ниво,

които им позволяват да изградят тези наистина изящни структури.

Така че нещо, което е много очарователно, мисля,

е какво би станало ако може да се даде живот

на неживи структури,

като батерии и слънчеви батерии?

Какво може да стане, ако те имаха някои от възможностите,

които черупките на морските охлюви имаха,

от гледна точка на възможността

да изграждат наистина изискани структури

при стайна температура и налягане,

използвайки нетоксични химични вещества

и без да добавят никакви токсични материали обратно в околната среда?

Така че това е визията, за която си мислех.

И така, какво може да стане, ако се отгледа батерия в петриева паничка?

Или, ако може да се даде генетична информация на батерия,

така че да може всъщност да стане по-добра

с течение на времето,

и да прави това по екологично съобразен начин?

И така, връщайки се към черупката на морския охлюв,

освен че е нано-структурирана,

нещо, което е очарователно,

е когато мъжки и женски охлюви се съберат заедно,

и препредават генетичната информация,

което казва: "Това е начина за изграждането на изискан материал.

Ето как се прави това при стайна температура и налягане,

използвайки нетоксични материали."

Същото е и с диатомите, които са осветени тук, които са стъкловидни структури.

Всеки път, когато диатомите се възпроизвеждат,

те предават генетична информация, която казва:

"Ето как да се изгради стъкло в океана,

което е напълно наноструктурирано.

И можете да го правите по същия начин, отново и отново."

И така, какво би станало ако можехте да направите същото нещо

със слънчева батерия или батерия?

Ще ми се да кажа, че любимия ми биоматериал е моето четиригодишно дете.

Но всеки, който някога е имал, или познава, малки деца,

знае, че те са невероятно сложни организми.

Така че, ако искате да ги убедите

да направят нещо, което не искат да правят, това е много трудно.

Така че, когато си мислим за бъдещите технологии,

всъщност смятаме да използваме бактерии и вируси,

прости организми.

Можете ли да ги убедите да работят с нов набор от инструменти,

така че да могат да изградят структура,

която ще бъде важна за мен?

Също така, ние си мислим за бъдещите технологии.

Започваме с началото на Земята.

Общо-взето, били необходими един милиард години,

за да се появят живи организми на Земята.

И много бързо, те станали многоклетъчни,

можели да се възпроизвеждат, можели да използват фотосинтеза,

като източник на тяхната енергия.

Но това не се случило до около преди 500 милиона години --

по време на камбрийския геоложки период от време --

когато организмите в океана започнали да правят твърди материали.

Преди това всички те били меки, пухкави структури.

И по това време

е имало увеличено количество калций и желязо,

и силиций в околната среда.

И организмите се научили как да правят твърди материали.

И така, това е, което бих искала да мога да направя --

да убедя биологията

да заработи с останалата част от менделеевата таблица.

Сега, ако се вгледате в биологията,

има много структури като ДНК и антитела,

и протеини и рибозоми, за които сте чували,

които са вече наноструктурирани.

Така че природата ни дава

наистина изискани структури от наномащаб.

Какво ще стане, ако можем да ги впрегнем

и да ги убедим да не бъдат антитела,

които причиняват нещо като ХИВ?

Но какво ще стане, ако можем да ги убедим

да изградят слънчеви батерии за нас?

Ето някои примери: това са някакви естествени черупки.

Това са естествени биологични материали.

Черупката на охлюва тук -- и ако я счупите,

можете да видите факта, че е нано-структурирана.

Има диатомеи, направени от SiO2,

и има магнетотактични бактерии,

които образуват малки, еднополюсни магнити, използвани за навигация.

Това, което е общо за всички тези неща

е, че тези материали са структурирани в наномащаб,

и те имат ДНК структура,

която кодира за протеинова последователност,

която им дава плана,

който им позволява да изградят тези наистина прекрасни структури.

Сега, връщайки се към черупката на морския охлюв,

той образува черупката си от тези протеини.

Тези протеини са много отрицателно заредени.

И те могат да извличат калций от околната среда,

да натрупат слой от калций и след това карбонат, калций и карбонат.

Има химическата последователност на аминокиселините,

която казва: "Ето как да се изгради структурата.

Ето я ДНК последователността, ето я протеиновата последователност,

за да се направи."

И така, една интересна идея е, какво ще стане, ако можем да вземем всякъв материал, който си поискаме,

или всеки елемент от периодичната таблица,

и намерим съответната последователност на ДНК,

и после я кодираме за съответната протеинова последователност,

за да изградим структура, но не да изградим черупка на охлюв --

да построим нещо, което в природата,

никога не е имало възможността да проработи все още.

И така, ето я периодичната таблица.

И аз безспорно обожавам периодичната таблица.

Всяка година за постъпващите първокурсници в Масачузетския технологичен институт (MIT)

имам направена периодична таблица, която казва:

"Добре дошли в MIT. Сега сте в своя елемент."

И ако я обърнете, на гърба са аминокиселините,

с PH стойностите, при които имат различен заряд.

И така, аз раздавам тези таблици на хиляди души.

И знам, че пише MIT, a това е Калифорнийския технологичен институт,

но имам няколко излишни, ако хората искат.

И бях наистина щастлива

да приема президента Обама на визита в моята лаборатория през тази година,

по време на посещението му в MIТ,

и аз много исках да му дам периодичната таблица.

Така че останах късно през нощта, и обсъждах със съпруга си:

"Как да подаря на президента Обама периодичната таблица?

Какво ще стане, ако той каже: "О, аз вече я имам,"

или: "Вече съм я запомнил?"

И така, той дойде на посещение в моята лаборатория,

и разгледа наоколо -- беше страхотна визита.

И тогава по-късно, аз казах:

"Сър, искам да ви подаря периодичната таблица,

в случай, че някога сте в затруднение и трябва да изчислите молекулното тегло."

И аз си мислех, че молекулно тегло звучи много по-малко странно,

отколкото моларна маса.

Той я погледна

и каза:

"Благодаря ви. Ще гледам в нея периодично."

(Смях)

(Ръкопляскане)

И по-късно в лекция, която изнесе за чистата енергия,

той я извади и каза:

"А хората в MIT, те раздават периодични таблици."

Така че в основни линии, това, което не ви казах бе,

че преди около 500 милиона години, организмите започнали да правят материали,

но им били необходими около 50 милиона години, за да станат добри в това.

Необходими са им били около 50 милиона години,

за да се научат как да усъвършенстват как се прави черупката на морския охлюв.

И това е трудно за рекламиране сред студентите.

"Имам този страхотен проект -- 50 милиона години."

Така че трябва да разработим начин,

да се опитаме да правим това по-бързо.

И така, ние използваме вирус, който е нетоксичен вирус,

наречен М13 бактериофаг,

чиято задача е да заразява бактерии.

Той има проста структура на ДНК,

от която можете да изрязвате и добавяте

допълнителни ДНК последователности.

И правейки това, се позволява на вируса

да изразява случайни последователности от протеини.

И това е доста лесна биотехнология.

Човек може да прави това буквално милиарди пъти.

И така, ние можем да се сдобием с един милиард различни вируси,

които са всички генетично идентични,

но те се различават един от друг по техните върхове,

по една последователност,

която кодира за един протеин.

Сега, ако вземете всички милиард вируси,

и ги поставите в една капка течност,

можете да ги принудите да си взаимодействат с всичко, което искате от периодичната таблица.

И чрез процеса на селективна еволюция,

можете да изолирате един на един милиард, който да прави нещо, което искате да прави,

като да прави батерия или да прави слънчева батерия.

В основни линии, вируси не могат да се самовъзпроизвеждат, те се нуждаят от гостоприемник.

Веднъж след като откриете този един на един милиард,

го инфектирате в бактерия,

и правите милиони и милиарди копия

на тази определена последователност.

Другото нещо, което е прекрасно в биологията е,

че тя ви дава наистина изискани структури,

с хубави мащабни връзки.

И тези вируси са дълги и оскъдни,

и ние можем да ги накараме да изразяват способността

да правят неща като полупроводници,

или материали за батерии.

Това е батерия с висока мощност, която отгледахме в моята лаборатория.

Ние направихме вирус, който улавя въглеродни нанотръби.

Така че една част от вируса улавя въглеродни нанотръби.

Другата част на вируса има последователност,

която може да отглежда електроден материал за батерия.

И после се свързва сам към колектора на тока.

И така, чрез процес на селективна еволюция,

ние започнахме от вирус, който прави кофти батерия,

до вирус, който прави добра батерия,

до такъв, който прави разбиваща рекорди, високомощна батерия,

направена при стайна температура, върху лабораторен плот.

И тази батерия отиде в Белия дом за пресконференция.

Аз я донесох тук.

Можете да я видите тук, осветява този светодиод.

Ако можем да направим това в мащаб,

ще можете всъщност да я използвате,

за да задвижвате вашия Prius,

което е моята мечта -- да можем да караме автомобил, задвижван от вирус.

Но в основни линии --

можем да извадим един на един милиард.

Можете да направите много допълнения към него.

По принцип, можем да го усилим в лабораторията.

И след това да го накараме да се самосглоби

в структура като батерия.

Можем да правим това и с катализата.

Това е пример

за фотокаталитично разделяне на водата.

И това, което успяхме да направим,

беше да разработим вирус, който да усвоява молекули, абсорбиращи багрилни вещества,

и да ги подреди на повърхността на вируса,

така че да действа като антена,

и се получава енергиен трансфер по целия вирус.

И после му дадохме втори ген,

за да отглежда неорганичен материал,

който може да се използва за разделяне на водата

на кислород и водород,

които могат да бъдат използвани за чисти горива.

И аз донесох един пример с мен днес.

Моите студенти ми обещаха, че ще проработи.

Това са наножици, направени от вируси.

Когато ги осветите, можете да ги видите да бълбукат.

В този случай, виждате кислородни мехурчета, които излизат.

И чрез контролиране на гените,

можете да контролирате различните материали, за да подобрите производителността на устройството.

Последният пример са слънчеви батерии.

Можете да правите това и със слънчеви батерии.

Успяхме да направим вируси,

които да уловят въглеродните нанотръби

и да натрупат титанов диоксид около тях --

и да го използват като начин за получаване на електрони към устройството.

И това, което открихме е, че чрез генното инженерство,

всъщност можем да увеличим

ефективността на тези слънчеви батерии,

до рекордни стойности

за този тип чувствителни към багрилни вещества системи.

И аз ви донесох една от тези батерии,

с която можете да си поиграете навън по-късно.

Така че това е слънчева батерия, базирана на вирус.

Чрез развитие и подбор,

ние я подобрихме от осем процента ефективна слънчева батерия,

до 11% ефективна слънчева батерия.

Така че се надявам, че ви убедих,

че има много страхотни, интересни неща, които могат да се научат,

за това как природата прави материалите --

и да отведем това на следващо ниво,

за да видим дали можем да насилим,

или дали можем да се възползваме от това как природата прави материалите,

за да направим неща, които природата все още не си е мечтала да направи.

Благодаря ви.