Angela Belcher: Calea naturală de-a produce baterii

Am decis să vorbesc despre calea naturii de-a face materialele. Am adus o scoică abalone. Scoica abalone e dintr-un material biocompozit cu 98% din masă: carbonat de calciu și 2% din masă: proteine. Dar e de 3000 de ori mai dur decât echivalentul său geologic. Deverse utilități ar exista pt. structuri ca scoicile abalone, chimic identică cu creta, CaCO3. Sunt fascinată de felul în care natura creează materiale. Există o întreagă secvență de urmat pentru o realizare așa extremă. Deși aceste materiale sunt macroscopice ca structură, ele sunt procesate cu migală la scară nanometrică. Ele sunt produse la scară nanometrică, folosesc proteine programate genetic care le permit să creeze aceste structuri extreme.

Așadar, o întrebare fascinantă ar fi dacă am putea da viață structurilor fără viață, ca bateriile și celulele solare? Ce-ar fi să aibă abilități asemănătoare cu o scoică abalone, să fie capabilă să construiască structuri extreme la temperatură și presiune obișnuită, folosind substanțe non-toxice și returnând materiale non-toxice înapoi în mediu? Deci asta e viziunea pe care am avut-o. Ce-ar fi să putem cultiva o baterie într-un vas Petri? Sau să furnizăm informație genetică unei baterii astfel încât să devină efectiv mai bună în timp, și s-o facem într-o manieră favorabilă mediului?

Revenind la această scoică abalone, pe lângă faptul că e nanostructurată, e fascinant că atunci când un mascul și o femelă abalone se împreună își transmit informații genetice care codifică modul de-a construi un material complex. "Iată cum se face la temperaturi și presiuni obișnuite, folosind materiale non-toxice." La fel diatomeele care stălucesc aici -- aceste structuri transparente. De fiecare dată când diatomeele se multiplică, ele transmit informație genetică care spune, "Iată cum să construiești în ocean sticlă nano-structurată perfect. Și poți face asta la nesfârșit." Ce-ar fi să putem face același lucru cu o celulă solară sau o baterie? Îmi place să spun ca bio-materialul meu favorit e copilul meu de patru ani.

Dar cine a avut vreodată, sau știe copii mici, știe că sunt organisme incredibil de complexe. Dacă vrei să-i convingi să facă ceva ce nu vor, e foarte greu. Deci când ne gândim la tehnologiile viitorului, ne gândim la folosirea bacteriilor și virusurilor, organisme simple. Pot fi convinse să lucreze cu mijloace noi, să construiască o structură importantă pentru mine?

Ne gândim la tehnologiile viitorului. Începem cu formarea Pământului. În principiu, a durat un miliard de ani să apară viață unicelulară pe Pământ. Rapid ea a devenit multicelulară, s-a înmulțit, a folosit fotosinteza ca mod de-a procesa energia. Dar nu mai devreme de 500 de milioane de ani -- în perioada geologică cambriană -- organismele din ocean au început să creeze materiale dure. Înainte de asta toate erau structuri moi, pufoase. În acea perioadă a crescut cantitatea de calciu, fier și silicon din mediul înconjurător. Și organismele au învățat sa producă materiale dure. Asta e ce-aș dori fac -- să conving organismele biologie să lucreze cu restul tabelului periodic.

Dacă ne uităm la biologie, sunt o mulțime de structuri ca ADN-ul, anticorpii, proteinele și ribozomi de care știți ca sunt nano-structurate. Deci natura ne oferă deja structuri într-adevăr splendide la scară nanometrică. Dar dacă le-am putea exploata și convinge să nu fie un anticorp ca HIV-ul? Dar dacă le-am putea convinge să creeze o celulă solară pentru noi? Câteva exemple: astea sunt niște scoici naturale.

Sunt materiale biologice naturale. Scoica abalone -- dacă o rupem, vedem că e nano-structurată. Diatomeele făcute din SiO2, sunt bacterii magnetotactice care creează mici magneți uni-polari folosiți în navigație. Ce au toate acestea în comun e că aceste materiale sunt produse la scară nanometrică, și că au o genă ADN care codifică secvența unei proteine, care le oferă schița de-a construi aceste structuri cu adevărat uimitoare. Revenind la scoica abalone, organismul structurează scoica folosind aceste proteine. Aceste proteine sunt încărcate puternic negativ. Pot extrage calciu din mediu, alternează un strat de calciu cu unul de carbonat, calciu, apoi carbonat. Are secvența chimică a aminoacizilor care spune, "Uite așa construiești structura. Asta e secvența ADN, iar asta secvența proteică necesară." Ar fi interesant dacă am putea folosi orice material dorim, sau orice element din tabelul periodic, și i-am găsi secvența ADN corespunzătoare, care să codifice o structură proteică corespunzătoare capabilă să construiască o structură, nu o scoică abalone, ceva pe care natura n-a avut încă șansa s-o creeze.

Aici avem tabelul periodic. Ador tabelul periodic. În fiecare an pentru noii boboci veniți la MIT, am un tabel periodic pe care scrie, "Bine ați venit la MIT. Acum sunteți în elementul vostru." Îl intoarcem pe verso și acolo avem aminoacizii cu PH-ul la care au diferite încărcături. O distribui la mii de studenți. Știu că scrie MIT, și ăsta e Caltech, dar am câteva în plus dacă cineva din afară dorește. Și am avut mare noroc ca președintele Obama să-mi viziteze laboratorul anul ăsta în timpul vizitei sale la MIT. Vroiam tare mult să-i dau un tabel periodic. Am stat trează noaptea, am vorbit cu soțul meu, "Cum îi dau președintelui Obama un tabel periodic? Dacă zice, 'Oh, am deja unul,' sau, 'L-am memorat deja'?" Deci a venit să-mi viziteze laboratorul, s-a uitat împrejur, a fost o vizită grozavă. Și apoi am zis, "Domnule, vreau să vă ofer tabelul periodic în cazul în care vreodată într-o situație trebuie să calculați greutatea moleculară." Mă gândeam că greutatea moleculară sună mai puțin tocilar decât masa moleculară. S-a uitat la el, și a zis, "Mulțumesc. O să mă uit peste el periodic." (Râsete) (Aplauze) Mai târziu la o conferință despre energie ecologică pe care a ținut-o, a scos tabelul și a zis, "Cei de la MIT împart tabele periodice."

Deci, de fapt, ce nu v-am spus e că acum 500 milioane de ani orgranismele au început să creeze materiale, dar le-au trebuit 50 milioane de ani să exceleze. Le-a luat aprox. 50 de milioane de ani să învățe cum să facă o scoică abalone perfectă. Asta e o greu de convins un absolvent: "Am acest proiect grozav -- 50 de milioane de ani." Deci a trebuit să găsim o metodă să facem asta mai repede. Folosim un virus non-toxic numit bacteriofag M13 care știe să infecteze bacteriile. Are o structură ADN simplă în care putem insera secvențe adiționale ADN. Făcând asta, permitem virusului să exprime aleator secvențe de proteine.

Asta e bio-tehnologie destul de simplă. Se poate repeta de un miliard de ori. Putem continua și crea un miliard de virusuri diferite care genetic sunt identice, dar se diferențiază unul de celălalt la extremități, cu o singură secvență care programează o proteină. Dacă iei tot miliardul de viruși, și-i pui într-o picătură de lichid, îi poți forța să interacționeze cu orice element vrei din tabelul periodic. Și printr-un proces selectiv de evoluție, poți extrage unul dintr-un miliard care face ce vrei tu să facă, de ex. să cultive o baterie sau o celulă solară.

Virușii nu se pot multiplica singuri, au nevoie de o gazdă. Odată ce-l găsești pe acela dintr-un miliard, infectezi o bacterie cu el, și obții milioane și miliarde de copii ale acelei secvențe speciale. Alt aspect admirabil în biologie e că biologia oferă structuri cu adevărat splendide cu solzi fini de legătură. Acești viruși sunt lungi și subțiri, îi putem ajusta să exprime abilitatea de-a crea ceva asemănător semiconductorilor sau materialelor pentru baterii.

Asta e o baterie de mare putere creată în laboratorul meu. Am conceput un virus care să culeagă nanotubi de carbon. O parte a virusului apucă un nanotub de carbon. Cealaltă parte a virusului are o secvență care poate crește un material electrod pentru o baterie. Apoi se leagă singur la colectorul de curent. Astfel printr-un proces de evoluție selectivă, am evoluat de la un virus care făcea o baterie de slabă, la un virus care făcea o baterie bună, la un virus care face o baterie de mare putere, ieșită din tipare, întru-totul creată la temperaturi obișnuite. Această baterie a ajuns la Casa Albă la o conferință de presă. Am adus-o aici cu mine. O vedeți în acest caz iluminând acest LED. Dacă am putea mări scara, am putea-o folosi să punem în mișcare Prius-ul, visul meu -- să conduc o mașină cu energie furnizată de un virus.

Dar în principiu -- puteți alege unul dintr-un miliard. Puteți realiza o gramadă de amplificări. Practic, faceți o amplificare în laborator. Apoi îl faceți să se asambleze singur într-o structură similară unei baterii. Putem face asta și prin cataliză. Acesta e exemplul de disociere fotocatalictică a apei. Și ce am realizat e să proiectăm un virus care ia moleculele ce absorb culoarea, le aliniază pe suprafața virusului, deci acționează ca o antenă, și obții un transfer de energie de-a lungul virusului. Apoi îi inserăm o a doua genă care-i dictează cum să creeze un material anorganic folosit să disocieze apa în hidrogen și oxigen, care poate fi folosit drept combustibil nepoluant. Am adus un exemplar cu mine. Studenții mei mi-au promis că va merge. Astea sunt nanofire asamblate de virus. Când sunt iluminate le vezi făcând bule. În acest caz, vedeți ieșind bule de oxigen. Practic controlând genele, controlăm materiale multiple pentru a îmbunătăți performanța dispozitivului.

Ultimul exemplu sunt celulele solare. Puteți face asta și cu celulele solare. Am reușit să proiectăm virusuri care să culeagă nanotubi de carbon și să crească apoi dioxid de titaniu împrejurul lor -- folosim asta ca o cale de a trece electronii prin dispozitiv. Am descoperit că prin inginerie genetică putem crește eficiența acestor celule solare la cifre record la aceste tipuri de sisteme colorant-sensibilizate. Am adus și unul dintre acestea că să vă jucați mai târziu cu el afară. Asta e o celula bazată pe un virus. Prin evoluție și selecție, am crescut eficiența celulei solare de la 8% la 11%.

Sper că v-am convins că sunt o gramadă de lucruri minunate, interesante de învățat despre cum creează natura materialele -- și s-o ducem la următorul nivel, să vedem dacă putem forța, sau profita de felul în care natura creează materialele, pentru a crea lucruri pe care natura n-a visat încă să le creeze.

Mulțumesc.