أنجيلا بلشر: استخدام الطبيعة لإنتاج البطاريات

فكرت في أن أتحدث قليلا حول كيف تصنع الطبيعة المواد. أحضرت معي صدفة أذن البحر. صدفة أذن البحر هاته مركب أحيائي بكتلة نسبتها 98 في المئة من كربونات الكالسيوم و2 في المئة من البروتين. ومع ذلك فهي أصلب بـ 3000 مرة من نظيرتها الجيولوجية. والكثير من الناس قد يستخدمون بنيات مثل صدفة أذن البحر، كطبشور. لطالما انبهرت بكيفية تصنيع الطبيعة للمواد، وهناك الكثير من التسلسل لكيفية إنجازها لوظيفة بذلك الإتقان. جزء منها هي أن هاته المواد بنيات ماكروسكوبية، لكنها تشكل على المستوى النانوي. تتشكل على المستوى النانوي، وتستخدم بروتينات مرمزة بالمستوى الجيني تسمح لها ببناء هاته البنيات المتقنة.

وهناك أمر أظنه في غاية الروعة هو ما إن أمكن وهب الحياة لبنيات غير حية، كالبطاريات والخلايا الشمسية؟ ماذا لو توفرت على بعض هاته الإمكانيات التي تتوفر عليها صدفة أذن البحر، من حيث القدرة على بناء بنيات متقنة في ضغط ودرجة حرارة الغرفة، باستخدام كيماويات غير سامة وإعادة مواد غير سامة للبيئة؟ وكذلك تلك هي الرؤية التي كنت أفكر فيها. إذن ماذا إن أمكن أن ننتج بطارية في طبق بتري؟ أو، ماذا إن أمكن إعطاء معلومات جينية لبطارية بحيث يمكنها أن تصبح بالفعل أحسن مع مرور الزمن، والقيام بذلك بطريقة غير مؤذية للبيئة؟

وهكذا بالعودة إلى صدفة أذن البحر، عدا كونها ذات بنية نانوية، أمر مذهل هو حين يجتمع ذكر وأنثى أذن البحر ينقلون المعلومات الجينية التي تقول، "هذه هي الطريقة لبناء مواد متقنة. وها هي كيفية القيام بذلك في درجة حرارة وضغط الغرفة، باستخدام مواد غير سامة." نفس الشيء مع الدياتوم، ذي البنية الزجاجوية، والذي يشع هنا. في كل مرة تتكاثر الدياتوم، تعطي معلومات تقول، "هذه كيفية بناء زجاج في المحيط مبني بإتقان على المستوى النانوي. ويمكنك القيام به نفسه، مرارا وتكرارا." وبالتالي ماذا لو أمكن القيام بنفس الشيء مع خلية شمسية أو بطارية؟ يحلو لي أن أقول أن المادة البيولوجية المفضلة عندي هي طفلي ذي الأربع سنوات.

لكن أي شخص لديه أو يعرف طفلا صغيرا يعرف أنها كائنات حية بالغة التعقيد. وهكذا إن أردت إقناعهم للقيام بأمر لا يرغبون به، ستجده صعبا. وهكذا حين نفكر في التكنولوجيات المستقبيلة، نفكر أساسا حول استخدام البكتيريات والفيروسات، كائنات حية بسيطة. هي يمكنك إقناعهم بالعمل بصندوق أدوات مختلف، بحيث يستطيعون تشييد بنية تكون مهمة لي؟

كذلك، نفكر حول التكنولوجيات المستقبلية. نبدأ ببداية الأرض. استغرق الأمر أساسا، مليار سنة لإيجاد حياة على الأرض. وبسرعة كبيرة، أصبحت متعددة الخلايا، استطاعت التكاثر، استطاعت استخدام التركيب الضوئي كطريقة للحصول على مصدرها الطاقي. لكن ذلك لم يحصل إلا قبل حوالي 500 مليون سنة -- خلال حقبة الكمبري الجيولوجية -- لكي تبدأ الكائنات الحية في المحيطات بإنتاج مواد صلبة. قبل ذلك كانت كلها بنيات ناعمة ورقيقة. وخلال تلك الحقبة تزايد الكالسيوم والحديد والسيليكون في البيئة. وتعلمت الكائنات الحية كيف تصنع موادا صلبة. وذلك هو ما أود أن أصبح قادرة على القيام به -- إقناع الأحياء للعمل مع بقية الجدول الدوري.

الآن حين تنظرون إلى البيولوجيا، هناك الكثير من البنيات كالحمض النووي ومضادات الأجسام والبروتينات والريبوسومات سمعتم عنها قد تم تركيبها نانويا. وبالتالي الطبيعة تعطينا مسبقا بنيات في غاية الإتقان على المستوى النانوي. ماذا لو أمكننا تسخيرهم وإقناعها ألا تكون مضادة للأجسام تسبب شيئا كفيروس نقص المناعة المكتسبة؟ لكن ماذا لو أمكننا إقناعها أن تبني لنا خلية شمسية؟ وبالتالي هنا بعض الأمثلة: هذه بعض الصدفات الطبيعية.

هناك مواد طبيعية بيولوجية. صدفة أذن البحر هنا -- وإذا كسرناها، يمكننا أن نرى حقيقة أنها مبنية على المستوى النانوي. هناك دايتومات مصنوعة من ثنائي أكسيد السيليكون، وهي باكتيريا موجهة مغناطيسيا تصنع مغناطيسات صغيرة وأحادية الحقل تستخدم في الملاحة. ما يوحد كل هذا هو أن هاته المواد مبنية على المستوى النانوي، ولديها تسلسل حمض نووي يرمز لتسلسل البروتين، والذي يعطيها المخطط الاولي لتكون قادرة على بناء هاته البنيات المدهشة حقا. الآن، بالعودة إلى صدفة أذن البحر، أذن البحر يصنع صدفته بالتوفر على هذه البروتينات. هذه البروتينات مشحونة بشدة سلبيا. ويمكنها أن تأخذ الكالسيوم من المحيط، تضع طبقة من الكالسيوم ثم الكاربونات، الكالسيوم والكاربونات. تتوفر على التسلسل الكيميائي للأحماض الأمينية والذي يقول، "هكذا يمكنك إنشاء هذه البنية. ها هو تسلسل الحمض النووي، ها هو تسلسل البروتين للقيام بذلك." وهكذا فإن فكرة مثيرة للإهتمام، هي ماذا إن أمكننا أخذ أي مادة نريد، أو أي عنصر نريد من الجدول الدوري، ثم إيجاد تسلسل الحمض النووي الموافق له، ثم ترميزه بتسلسل بروتيني موافق لإنشاء بنية، لكن ليس بناء صدفة أذن البحر -- بناء شيء آخر، من خلال الطبيعة، لم تسنح لها الفرصة أبدا للعمل معه من قبل.

وبالتالي ها هو الجدول الدوري. وأنا أحب قطعا الجدول الدوري. في كل سنة ولحصة الطلاب الجدد القادمين للـ MIT، لدي جدول دوري مطبوع عليه، "مرحبا في MIT. أنت الآن في عنصرك الخاص." وتديره، فتجد الأحماض الأمينية بمستوى PH الذي تتوفر فيه على شحنات مختلفة. وبالتالي أعطي هذا لآلاف الأشخاص. وأعرف أنه مكتوب عليه MIT، وهذه Caltech، لكن لدي بضع جداول إضافية إن أراده الناس. وقد كنت محظوظة بالفعل ليزور الرئيس أوباما مختبري هذه السنة في زيارته لـ MIT، وقد وددت فعلا أن أعطيه جدولا دوريا. وبالتالي سهرت الليلة، وتحدثت مع زوجي، "كيف أعطي الرئيس أوباما جدولا دوريا؟ ماذا لو قال، 'أوه، عندي واحد مسبقا،' أو، 'لقد حفظته'؟" وهكذا جاء لزيارة مختبري ونظر حواليه -- كانت زيارة عظيمة. وثم بعد ذلك، قلت، "سيدي، أريد أن أعطيك جدولا دوريا في حالة كنت في مأزق واحتجت إلى حساب الوزن الجزيئي." وفكرت في أن الوزن الجزيئي قد بدا أقل تعقيدا من الكتلة المولية. وهكذا نظر إليه، وقال، "شكرا. سأنظر إليه بصفة دورية." (ضحك) (تصفيق) ولاحقا في محاضرة ألقاها حول الطاقة النظيفة، سحبه وقال، "والناس في MIT، يمنحون الجداول الدورية."

إذن، ما لم أخبركم هو أنه أساسا قبل حوال 500 مليون سنة، بدأت الكائنات الحية في إنتاج المواد، لكن ذلك استغرقهم حوالي 50 مليون سنة ليبرعوا فيه. استغرقهم حوالي 50 مليون سنة لتعلم كيفية إتقان كيفية إنشاء صدفة أذن البحر. وذلك أمر صعب لطالب دراسات عليا. "عندي مشروع عظيم -- 50 مليون سنة." وهكذا كان علينا تطوير تطوير وسيلة لمحاولة القيام بذلك بشكل أسرع. وهكذا استعملنا فيروسات غير سامة تسمى عاثية M13 والتي مهمتها عدوى البكتيريا. حسنا لديها تسلسل حمض نووي بسيط يمكن أن تقوم بقطع ولصق تسلسل أحماض نووية إضافية إليه. وبالقيام بذلك، يسمح للفيروس بأن يعبر عن تسلسلات بروتينية عشوائية.

وهذه تكنولوجية حيوية في غاية البساطة. ويمكن أساسا القيام بهذا مليار مرة. وهكذا يمكن أن يصير لدينا مليار فيروس مختلف كلها متطابقة جينيا، لكنها تختلف عن بعضها البعض اعتمادا على أطرافها، بتسلسل واحد يرمز لبروتين واحد. الآن إن أخذنا المليار فيروس، وأمكن وضعها في قطرة سائل واحدة، يمكن إرغامها على التفاعل مع أي عنصر نريد من الجدول الدوري. ومن خلال عملية تطور انتقائي، يمكن اختيار واحد من البليون يقوم بما نود إنجازه، مثل إنتاج بطارية أو خلية شمسية.

وبالتالي، الفيروسات أساسا لا يمكنها استنساخ نفسها، تحتاج إلى مضيف. وبمجرد أن تجد ذلك الواحد من المليار، تنقله إلى بكتيريا، وتنتج ملايين وملايير النسخ من ذلك التسلسل بعينه. وبالتالي الأمر الآخر الجميل في البيولوجيا هو أن البيولوجيا تعطي بنيات في غاية الإتقان بجداول ربط أنيقة. وهذه الفيروسات هي طويلة ورقيقة، ويمكن جعلها تعبر عن القدرة على إنتاج أشياء مثل أشباه الموصلات أو مواد للبطاريات.

الآن هذه بطارية عالية القدرة أنتجناها في مختبري. صممنا فيروس ليلتقط أنابيب الكربون النانوية. وبالتالي جزء من الفيروس يمسك أنبوب كربون نانوي. الجزء الآخر من الفيروس لديه تسلسل يمكنه أن ينتج مادة كهربائية قطبية لبطارية. ثم يربط نفسه سلكيا بمجمع التيار وهكذا عن طريق تطور الإنتقاء، انتقلنا من التوفر على فيروس صنع بطارية رديئة إلى فيروس صنع بطارية جيدة إلى فيروس صنع بطارية قياسية ذات قدرة عالية كل هذا تم في درجة حرارة الغرفة، على مقاعد المختبر أساسا. وتلك البطارية قد ذهبت إلى البيت الأبيض من أجل مؤتمر صحفي. أحضرتها معي هنا. يمكنكم رؤيتها في هذا الصندوق -- ذاك يضيئ هذا الصمام المشع. الآن إن أمكننا قياس هذا، يمكننا فعلا استخدامه لتشغيل سيارة بريوس، والذي هو حلمي -- أن أكون قادرة على قيادة سيارة تعمل بقوة الفيروسات.

لكنه أساسا -- يمكن أخذ واحد من المليار يمكن إجراء الكثير من التضخيم عليه. وأساسا، يمكن إجراء تضخيم في المختبر. وثم نجعلها تتجمع ذاتيا في بنية تشبه البطارية. نحن قادرون على القيام بذلك مع المحفزات. ها هو مثال لمحفزات ضوئية مقسمة بالماء. وما استطعنا القيام به هو تصميم فيروس ليقوم أساسا بأخذ الجزيئات التي تمتص الصباغ وتصفيفهم على واجهة الفيروس ليعمل كهوائي، وتحصلون على انتقال طاقي على طول الفيروس. ثم نضيف جينة ثانية لإنتاج مواد غير عضوية يمكن استخدامها لتفكيك الماء إلى أوكسيجين وهيدروجين، والتي يمكن استخدامها في الوقود النظيف. وقد أحضرت معي اليوم مثالا. وعدني طلبتي بأنه سيشتغل. هذه أسلاك نانوية مجمعة عن طريق الفيروسات. حين تسلط عليها الضوء، يمكن أن تراها تزبد. في هذه الحالة، ترون الأوكسجين يتدفق. وعن طريق التحكم في الجينات أساسا، يمكن التحكم في مواد متعددة لتحسين أداء الجهاز.

آخر مثال هو الخلايا الشمسية. يمكن القيام بهذا كذلك مع الخلايا الشمسية. قد استطعنا تصميم فيروسات لالتقاط أنابيب كربونية نانوية ثم إنتاج ديوكسيد التيتانيوم حولها -- واستخدامه كوسيلة للحصول على إلكترونات حول الجهاز. وما وجدناه هو أنه، عن طريق الهندسة الوراثية، يمكن بالفعل زيادة فاعلية هذه الخلايا الشمسية لتسجيل أرقام لهذه الأنواع من أنظمة خلايا غريتسل. وقد أحضرت معي واحدة منها كذلك يمكن أن تلعبوا بها في الخارج فيما بعد. إذن هذه خلية شمسية مرتكزة على الفيروسات. عن طريق التطور والإنتقاء، أخذناها من خلايا شمسية بكفاءة 8 في المئة إلى خلايا شمسية بكفاءة 11 في المئة.

إذن أتمنى أن أكون قد أقنعتكم أن هناك الكثير من الأمور العظيمة والمثيرة للإهتمام يمكن تعلمها حول كيف تصنع الطبيعة المواد -- والإنتقال بذلك إلى الخطوة الموالية للتحقق من إمكانية إرغام، أو إستغلال كيفية إنتاج الطبيعة للمواد، لإنتاج مواد لم تحلم الطبيعة بإنشاءها بعد.

شكرا لكم.