آنجلا بلچر: استفاده از طبیعت برای پرورش باتری‌ها

من فکر کردم که می‌خواهم با شما کمی دربارۀ چگونگی ساخت مواد در طبیعت صحبت کنم با خودم یک صدف آبالون (صدف گوش ماهی) آوردم. این صدف آبالون یک مادۀ بیوکامپوزیت (مادۀ مرکب زیست سازگار) است که ۹۸ درصد کلسیم کربنات فشرده و دو درصد پروتئین فشرده است. با این حال، ۳ هزار برابر سختر از معادل زمین‌شناختی خود است. بسیاری از مردم ممکن است ساختارهایی مانند صدف آبالون را استفاده کنند، مثلا گچ. من مجذوب چگونگی ساخت مواد در طبیعت شده‌ام اینکه آنها چطور چنین کار فوق‌العاده‌ای را انجام می‌دهند، مراحل زیادی دارد اینکه آنها چطور چنین کار فوق‌العاده‌ای را انجام می‌دهند، مراحل زیادی دارد بخشی از آن این است که این مواد ساختار میکروسکوپی دارند ولی در مقیاس نانو شکل گرفته‌اند. در مقیاس نانو شکل گرفته‌اند، و از پروتئین‌هایی استفاده می‌کنند که در لایۀ ژنتیکی کدگذاری می‌شوند. همین به آنها امکان ساخت این ساختارهای ظریف و زیبا را می‌دهد.

پس اگر بتوان به ساختارهای غیر زنده مانند باتری و سلول‌های خورشیدی زندگی بخشید، چه می‌شود؟ پس اگر بتوان به ساختارهای غیر زنده مانند باتری و سلول‌های خورشیدی زندگی بخشید، چه می‌شود؟ پس اگر بتوان به ساختارهای غیر زنده مانند باتری و سلول‌های خورشیدی زندگی بخشید، چه می‌شود؟ پس اگر بتوان به ساختارهای غیر زنده مانند باتری و سلول‌های خورشیدی زندگی بخشید، چه می‌شود؟ چه می‌شود اگر آنها همان قابلیت‌‌هایی که یک صدف آبالون دارد، داشتند. از نظر توانایی ساخت ساختارهای فوق‌العاده‌ در دما و فشار اتاق با استفاده از مواد شیمیایی غیر سمی و بدون افزودن هیچ پسامد سمی به محیط؟ پس من دربارۀ همچین دیدی از آینده فکر می‌کنم. و چه می‌شود اگر یک باتری را در پتری ديش (ظرف كشت ميكروب) کشت دهید؟ ممکنه به یک باتری اطلاعات ژنتیکی بدهیم تا بتواند واقعا در طی یک تابع زمانی بهتر شود و این را از راهی سازگار با محیط زیست انجام دهد؟

پس برگردیم به این صدف آبالون، در کنار نانو- ساختار بودن چیزی که خیلی جالب است، زمانی است که دو آبالون نر و ماده، جفت می‌شوند، آنها همان اطلاعات ژنتیکی را به نسل بعد منتقل می‌کنند که نحوۀ ساخت یک مادۀ فوق‌العاده را.. .. در دما و فشار اتاق و با .. .. استفاده از مواد غیر سمی، بیان می‌کند. به همین صورت " دیاتوم‌ها " (جلبک‌های تک سلولی)، که اینجا نشان داده شده‌اند، که ساختارهای شیشه‌ای هستند. هر بار که " دیاتوم‌ها " تولیدمثل می‌کنند اطلاعات ژنتیکی را دربارۀ نحوۀ ساخت شیشه در اقیانوس که کاملا نانو ساختار است، و بارها و بارها قابل تکرار، منتقل می‌کنند. بنابراین ممکنه همین کار را با سلول خورشیدی یا یک باتری انجام داد؟ مایلم که بگویم مادۀ زيستی محبوب من، فرزند 4 ساله‌ام است.

ولی هرکس که بچۀ کوچک داشته یا بچه‌های کوچک را می‌شناسد می‌داند آنان موجودات بسیار پیچیده‌ای هستند. و اگر بخواهید آنان را مجاب به انجام کاری کنید که نمی‌خواهند، خیلی سخت است. وقتی دربارۀ تکنولوژی آینده فکر می‌کنیم، در واقع به استفاده از ویروس و باکتری فکر می‌کنیم، موجودات ساده. آیا می‌توانید آنها را به کار با جعبه ابزار جدید برای ایجاد یک ساختار که برای ما مهم خواهد بود، مجاب کنید؟

همچنین، ما دربارۀ تکنولوژی آینده فکر می‌کنیم. ما با ابتدای حیات زمین شروع می‌کنیم اساسا، میلیاردها سال طول کشید تا حیات بر روی زمین شکل بگیرد. که به سرعت، به موجودات چندسلولی تبدیل شدند، که می‌توانستند تولید مثل کنند و از فوتوسنتز به عنوان راهی برای دریافت انرژی، استفاده کنند. ولی تنها در ۵۰۰ میلیون سال پیش در طی دورۀ زمین‌شناسی " كامبرين " بود که موجودات در اقیانوس شروع به ساخت مواد محکم کردند قبل از آن تمام ساختارها نرم و کرک مانند بود. و در طی این زمان بود که میزان کلسیم و آهن و سیلیکن در محیط زیست زیاد شد. و موجودات یادگرفتند چگونه مواد محکم بسازند پس من می‌خواهم قادر به انجام این باشم مجاب کردن زیست شناسی تا با باقی عناصر جدول تناوبی هم کار کند

حالا اگر به زیست شناسی نگاه کنید ساختارهایی مثل DNA و پادتن‌ها پروتئین‌ها و ریبوزوم‌ها (رناتن) همه نانو ساختار هستند. بنابراین طبیعت همین حالا هم ساختارهایی در مقیاس نانو در اختیار ما گذاشته است ممکنه که آنها را مهار کنیم و مجاب کنیم که پادتنی نباشند که کاری مثل ویروس ایدز انجام می‌دهد، بلکه ممکنه آنها را مجاب به ساختن سلول خورشیدی کنیم؟ اینها چند مثال هستند: اینها چند صدف طبیعی هستند.

اینها مواد زیستی هستند صدف آبالون اینجاست -- و اگر آن را شکاف دهید این واقعیت که نانو ساختار است را می‌بینید. اینها دیاتوم‌ها هستند که از SIO2 (اکسید سیلیسیم) ساخته شده‌اند و اینها باکتری‌های مغناطیسی هستند که دانه‌های مغناطیسی تک حوزه‌ای که در جهت‌یابی کاربرد دارند، تولید می‌کنند. اشتراک همۀ اینها در این است که این مواد در مقیاس نانو ساختار یافته‌اند. توالی DNA دارند که توالی پروتئین را کدگذاری می‌کند، و این به آنها طرح ساخت این ساختارهای زیبا را می‌دهد. حالا، دوباره به صدف آبالون برگردیم آبالون این صدف را با داشتن این پروتئین‌ها می‌سازد. این پروتئین‌ها بار منفی زیادی دارند. و می‌توانند کلسیم را از محیط جذب کنند. یک لایه کلسیم و بعد یک لایه کربنات قرار می‌دهند، کلسیم و کربنات. توالیِ شیمیاییِ آمینو اسیدهای موجود در آن مشخص می‌کند که ساختار چگونه باشد و توالی DNA و توالی پروتئین برای ساخت آن چگونه باشد. پس ایدۀ جالب این است که آیا ممکن است هر ماده‌ای یا هر عنصری از جدول تناوبی را که می‌خواهیم، برداریم و توالی DNA مربوط به آن را پیدا کنیم بعد آن را برای توالی پروتئینی مربوطه، کدگذاری کنیم تا یک ساختار را بسازد، ولی این ساختار صدف آبالون نباشد بلکه چیزی باشد که هیچ وقت به طور طبیعی فرصت کار کردن با آن را تا به حال نداشته است.

خب این جدول تناوبی است و من کاملا عاشق جدول تناوبی هستم هر سال برای سال اولی‌ها در MIT یک جدول تناوبی آماده دارم که روش نوشته " به MIT خوش آمدید. شما الان در سطح عنصری هستید" و اگر برگردانید، پشتش آمینو اسیدها و PHهایی که در آنها بارهای مختلف می‌گیرند، است. و خب من این را به هزاران نفر می‌دهم و با وجود اینکه روش نوشته MIT یا " کلتک Caltech " من چندتا اضافه برای کسانی که می‌خواهند، دارم. و خیلی باعث خوشبختی بود که " پرزیدنت اوباما " از آزمایشگاه من در زمان بازدیدش از MIT، دیدن کرد. و من خیلی دلم می‌خواست یک جدول تناوبی به او بدهم بنابراین شب بیدار ماندم و با شوهرم صحبت کردم که چطور به " پرزیدنت اوباما " یک جدول تناوبی بدهم؟ اگر بگوید " من خودم یکی دارم " یا " من قبلا این را از حفظ کردم" چه؟ و پس او از آزمایشگاه من بازدید کرد و اطراف را گشت -- بازدید خیلی خوبی بود و بعد از آن من گفتم : " آقا، من می‌خواهم به شما جدول تناوبی بدهم برای وقتی که در یک مخمصه بودید و نیاز به محاسبۀ وزن مولکولی داشتید " و فکر کردم که وزن مولکولی کمتر از جرم مولی خشک به نظر می‌رسد. و او به من نگاه کرد و گفت " ممنون، به صورت متناوب بهش نگاه خواهم کرد. " ( خنده ) ( تشویق ) و بعدا در یک سخنرانی که دربارۀ انرژی پاک انجام داد آن را بیرون آورد و گفت " و مردم در MIT، جدول تناوبی پخش می‌کنند "

خب پس چیزی که در اصل به شما نگفتم این است که ۵۰۰ میلیون سال پیش، موجودات شروع به ساخت مواد کردند، ولی ۵۰ میلیون سال طول کشید تا در این کار خبره شوند ۵۰ میلیون سال طول کشید تا یاد بگیرند چطور بی‌نقص باشند، چطور صدف آبالون بسازند و این کار برای یک دانشجوی فوق لیسانس خیلی سخته. "من یه پروژه بزرگ دارم -- 50 میلیون سال" و بنابراین ما باید راهی را برای انجام سریعتر این کار، توسعه می‌دادیم. بنابراین ما از یک ویروس غیر سمی به نام " ام ۱۳ باکتریوفگ " استفاده می‌کنیم که کارش مبتلا کردن باکتری است. خب آن یک ساختار سادۀ DNA دارد که شما می‌توانید قسمتی از آن را ببرید و توالی DNA اضافه کنید و بچسبانید. و با این کار، به ویروس اجازه دهید توالی‌های پروتئینی تصادفی را از خود بروز دهند

و این یک فرآیند ساده در زیست‌فناوری (بیوتکنولوژی) است. و می‌توان یک میلیارد دفعه این کار را تکرار کرد. بنابراین می‌توان یک میلیارد ویروس مختلف داشت که از نظر ژنتیکی همسان هستند ولی انتهای آنها، یک توالی که یک پروتئین را کدگذاری می‌کند، با هم فرق دارد. حالا اگر تمام یک میلیارد ویروس را در یک قطره مایع قرار دهید می‌توانید آنها را به کار کردن با هر عنصری از جدول تناوبی واداشت. و از طریق فرآیند تکامل گزینشی می‌توان از میان یک میلیارد، یکی را بیرون کشید که آنچه می‌خواهید انجام می‌دهد مثلا تولید و پرورش یک باتری یا یک سلول خورشیدی.

بنابراین اصولا، ویروس‌ها نمی‌توانند تولید مثل کنند، آنها به میزبان احتیاج دارند وقتی همان یکی که می‌خواهید از میان یک میلیارد پیدا کردید آن را به یک باکتری منتقل می‌کنید و میلیاردها و میلیون‌ها نسخه از آن توالی مخصوص می‌گیرید و پس چیز دیگری که دربارۀ زیست‌شناسی زیباست این است که زیست‌شناسی ساختارهای فوق‌العاده‌ با اندازه‌های مرتبط زیبا به شما می‌دهد؟؟؟؟ و این ویروس‌ها که بلند و باریک هستند و ما می توانیم آنها را وادار به نشان دادن توانایی پرورش چیزی مثل نیمه رساناها یا موادی برای باتری‌ها کنیم.

این یک باتری پرقدرت است که ما در آزمایشگاه رشد دادیم ما یک ویروس را برای برداشتن " نانولوله‌های کربنی‌ " مهندسی کردیم بنابراین یک قسمت از ویروس یک نانولولۀ کربنی‌ را در چنگ می‌گیرد قسمت دیگر دارای آن توالی است که می‌تواند برای یک باتری مواد الکترودی تولید کند. و بعد ویروس خود را به صورت " جمع کنندۀ جریان " در می آورد بنابراین از طریق یک فرآیند تکامل گزینشی ما از یک ویروس که باتری بی‌کیفیت می‌ساخت به ویروسی که باتری خوب می‌ساخت، رسیدیم و بعد به ویروسی که باتری پرقدرت و رکورد شکن می‌ساخت، رسیدیم و تمام اینها در دمای اتاق و در اصل بر روی یک میز کار انجام شد و باتری برای یک کنفرانس به " کاخ سفید " فرستاده شد. من اینجا آوردمش. می توانید در این جعبه آن را ببینید که به این " ال‌ای‌دی " نور می‌دهد. حالا اگر این را درجه بندی کنیم شما عملا می‌توانید از این برای راه انداختن " تویوتا پریوس " استفاده کنید. این رویای من است. که بتوانم یک ماشین نیروگرفته از ویروس را برانم.

ولی موضوع اینجا در اصل این است: شما می‌توانید یکی را از میان یک میلیارد بیرون بکشید می‌توانید به صورتهای مختلف آن را تقویت کنید و عملا می‌توانید در آزمایشگاه آن را تقویت کنید و بعد کاری کنید که خود را به صورت یک ساختار مثلا یک باتری، در آورد ما قادریم این کار را با کاتالیزورها هم انجام دهیم این یک مثال از تجزیۀ فوتوکاتالیزوری آب است و آنچه ما قادر به انجامش هستیم مهندسی یک ویروس برای کنترل مولکولهای جاذب در رنگدانه و ردیف کردن آنها در سطح ویروس است تا مثل یک آنتن عمل کند. و انتقال انرژی را در ویروس داشته باشید. و بعد به آن یک ژن دیگر می‌دهیم تا مواد غیر آلی و معدنی تولید کند که می تواند برای تجزیۀ آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده شود. می تواند برای سوخت‌‌های پاک استفاده شود. من امروز یک نمونه با خودم آورده ام شاگردم قول داده کار کند اینها نانوسیم‌های گردآوری شده توسط ویروس هستند. وقتی نور به آنها بتابانید می‌بینید که حباب تولید می‌کنند و در این نمونه، حباب‌‌های اکسیژن بالا می‌آیند. و در واقع با کنترل ژن‌ها می توانید مواد چندگانه را برای بالابردن عملکرد وسیله تان کنترل کنید.

آخرین مثال سلول‌های خورشیدی هستند. همین کار را می توانید با سلول‌های خورشیدی انجام دهید ما قادر بوده‌ایم که ویروس‌ها را مهندسی کنیم تا نانولوله‌های کربنی را بردارند و دی اکسید تیتانیوم در اطراف آنها تولید کنند. برای استفاده به عنوان راهی برای عبور الکترونها از وسیله و چیزی که دریافته‌ایم این است که از طریق مهندسی ژنتیک می توانیم واقعا کارآیی‌های این سلول‌های خورشیدی را تا رکوردهای بی سابقه برای این نوع سیستم‌های رنگدانه سنتز ( گریتسل ) بالا ببریم. من یکی از آنها را همراه آورده‌ ام که بعدا می توانید با آن ور بروید و امتحان کنید خب این یک سلول خورشیدی با پایۀ ویروسی است. از طریق تکامل و گزینش ما آن را از یک سلول خورشیدی با هشت درصد کارآیی به سلول خورشیدی با 11 درصد کارآیی رساندیم

بنابراین امیدوارم شما را قانع کرده باشم که نکات عالی و جالب زیادی می‌شود از چگونگی ساخت مواد در طبیعت آموخت و آن را یک قدم به جلو برد تا دید آیا می‌شود مجبور کرد یا آیا می توان از چگونگی ساخت مواد در طبیعت استفاده کرد برای ساخت چیزهایی که طبیعت هنوز رویای ساخت شان را ندارد.

ممنون.