I thought I'd talk a little bit about how nature makes materials. I brought along with me an abalone shell. This abalone shell is a biocomposite material that's 98 percent by mass calcium carbonate and two percent by mass protein. Yet, it's 3,000 times tougher than its geological counterpart. And a lot of people might use structures like abalone shells, like chalk. I've been fascinated by how nature makes materials, and there's a lot of secrets to how they do such an exquisite job. Part of it is that these materials are macroscopic in structure, but they're formed at the nano scale. They're formed at the nano scale, and they use proteins that are coded by the genetic level that allow them to build these really exquisite structures.
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.
So something I think is very fascinating is: What if you could give life to non-living structures, like batteries and like solar cells? What if they had some of the same capabilities that an abalone shell did, in terms of being able to build really exquisite structures at room temperature and room pressure, using nontoxic chemicals and adding no toxic materials back into the environment? So that's kind of the vision that I've been thinking about. And so what if you could grow a battery in a Petri dish? Or what if you could give genetic information to a battery so that it could actually become better as a function of time, and do so in an environmentally friendly way?
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؟
And so, going back to this abalone shell, besides being nanostructured, one thing that's fascinating is, when a male and female abalone get together, they pass on the genetic information that says, "This is how to build an exquisite material. Here's how to do it at room temperature and pressure, using nontoxic materials." Same with diatoms, which are shown right here, which are glasseous structures. Every time the diatoms replicate, they give the genetic information that says, "Here's how to build glass in the ocean that's perfectly nanostructured." And you can do it the same, over and over again." So what if you could do the same thing with a solar cell or a battery? I like to say my favorite biomaterial is my four year old.
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.
But anyone who's ever had or knows small children knows, they're incredibly complex organisms. If you wanted to convince them to do something they don't want to do, it's very difficult. So when we think about future technologies, we actually think of using bacteria and viruses -- simple organisms. Can you convince them to work with a new toolbox, so they can build a structure that will be important to me?
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؟
Also, when we think about future technologies, we start with the beginning of Earth. Basically, it took a billion years to have life on Earth. And very rapidly, they became multi-cellular, they could replicate, they could use photosynthesis as a way of getting their energy source. But it wasn't until about 500 million years ago -- during the Cambrian geologic time period -- that organisms in the ocean started making hard materials. Before that, they were all soft, fluffy structures. It was during this time that there was increased calcium, iron and silicon in the environment, and organisms learned how to make hard materials. So that's what I would like to be able to do, convince biology to work with the rest of the periodic table.
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
Now, if you look at biology, there's many structures like DNA, antibodies, proteins and ribosomes you've heard about, that are nanostructured -- nature already gives us really exquisite structures on the nano scale. What if we could harness them and convince them to not be an antibody that does something like HIV? What if we could convince them to build a solar cell for us? Here are some examples. Natural shells, natural biological materials. The abalone shell here. If you fracture it, you can look at the fact that it's nanostructured. There's diatoms made out of SiO2, and there are magnetotactic bacteria that make small, single-domain magnets used for navigation. What all these have in common is these materials are structured at the nano scale, and they have a DNA sequence that codes for a protein sequence that gives them the blueprint to be able to build these really wonderful structures. Now, going back to the abalone shell, the abalone makes this shell by having these proteins. These proteins are very negatively charged. They can pull calcium out of the environment, and put down a layer of calcium and then carbonate, calcium and carbonate. It has the chemical sequences of amino acids which says, "This is how to build the structure. Here's the DNA sequence, here's the protein sequence in order to do it." So an interesting idea is, what if you could take any material you wanted, or any element on the periodic table, and find its corresponding DNA sequence, then code it for a corresponding protein sequence to build a structure, but not build an abalone shell -- build something that nature has never had the opportunity to work with yet.
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.
And so here's the periodic table. I absolutely love the periodic table. Every year for the incoming freshman class at MIT, I have a periodic table made that says, "Welcome to MIT. Now you're in your element."
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"
(Laughter)
و اگر برگردانید، پشتش آمینو اسیدها
And you flip it over, and it's the amino acids with the pH at which they have different charges. And so I give this out to thousands of people. And I know it says MIT and this is Caltech, but I have a couple extra if people want it. I was really fortunate to have President Obama visit my lab this year on his visit to MIT, and I really wanted to give him a periodic table. So I stayed up at night and talked to my husband, "How do I give President Obama a periodic table? What if he says, 'Oh, I already have one,' or, 'I've already memorized it?'"
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؟
(Laughter)
و پس او از آزمایشگاه من بازدید کرد
So he came to visit my lab and looked around -- it was a great visit. And then afterward, I said, "Sir, I want to give you the periodic table, in case you're ever in a bind and need to calculate molecular weight."
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 "
(Laughter)
و فکر کردم که وزن مولکولی کمتر از جرم مولی
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
خشک به نظر میرسد.
(Laughter)
و او به من نگاه کرد
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
و گفت " ممنون، به صورت متناوب بهش نگاه خواهم کرد. "
(Laughter)
( خنده )
(Applause)
( تشویق )
Later in a lecture that he gave on clean energy, he pulled it out and said, "And people at MIT, they give out periodic tables." So ...
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 "
So basically what I didn't tell you is that about 500 million years ago, the organisms started making materials, but it took them about 50 million years to get good at it -- 50 million years to learn how to perfect how to make that abalone shell. And that's a hard sell to a graduate student: "I have this great project ... 50 million years ..." So we had to develop a way of trying to do this more rapidly. And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage, whose job is to infect bacteria. Well, it has a simple DNA structure that you can go in and cut and paste additional DNA sequences into it, and by doing that, it allows the virus to express random protein sequences.
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
This is pretty easy biotechnology, and you could basically do this a billion times. So you can have a billion different viruses that are all genetically identical, but they differ from each other based on their tips, on one sequence, that codes for one protein. Now if you take all billion viruses, and put them in one drop of liquid, you can force them to interact with anything you want on the periodic table. And through a process of selection evolution, you can pull one of a billion that does something you'd like it to do, like grow a battery or a solar cell.
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
Basically, viruses can't replicate themselves; they need a host. Once you find that one out of a billion, you infect it into a bacteria, and make millions and billions of copies of that particular sequence. The other thing that's beautiful about biology is that biology gives you really exquisite structures with nice link scales. These viruses are long and skinny, and we can get them to express the ability to grow something like semiconductors or materials for batteries.
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.
Now, this is a high-powered battery that we grew in my lab. We engineered a virus to pick up carbon nanotubes. One part of the virus grabs a carbon nanotube, the other part of the virus has a sequence that can grow an electrode material for a battery, and then it wires itself to the current collector. And so through a process of selection evolution, we went from being able to have a virus that made a crummy battery to a virus that made a good battery to a virus that made a record-breaking, high-powered battery that's all made at room temperature, basically at the benchtop. That battery went to the White House for a press conference, and I brought it here. You can see it in this case that's lighting this LED. Now if we could scale this, you could actually use it to run your Prius, which is kind of my dream -- to be able to drive a virus-powered car.
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.
(Laughter)
ولی موضوع اینجا در اصل این است:
But basically you can pull one out of a billion, and make lots of amplifications to it. Basically, you make an amplification in the lab, and then you get it to self-assemble into a structure like a battery. We're able to do this also with catalysis. This is the example of a photocatalytic splitting of water. And what we've been able to do is engineer a virus to basically take dye-absorbing molecules and line them up on the surface of the virus so it acts as an antenna, and you get an energy transfer across the virus. And then we give it a second gene to grow an inorganic material that can be used to split water into oxygen and hydrogen, that can be used for clean fuels. I brought an example of that with me today. My students promised me it would work. These are virus-assembled nanowires. When you shine light on them, you can see them bubbling. In this case, you're seeing oxygen bubbles come out.
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.
(Applause)
و در واقع با کنترل ژنها
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
می توانید مواد چندگانه را برای بالابردن عملکرد وسیله تان کنترل کنید. آخرین مثال سلولهای خورشیدی هستند.
The last example are solar cells. You can also do this with solar cells. We've been able to engineer viruses to pick up carbon nanotubes and then grow titanium dioxide around them, and use it as a way of getting electrons through the device. And what we've found is through genetic engineering, we can actually increase the efficiencies of these solar cells to record numbers for these types of dye-sensitized systems. And I brought one of those as well, that you can play around with outside afterward. So this is a virus-based solar cell. Through evolution and selection, we took it from an eight percent efficiency solar cell to an 11 percent efficiency solar cell.
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
So I hope that I've convinced you that there's a lot of great, interesting things to be learned about how nature makes materials, and about taking it the next step, to see if you can force or take advantage of how nature makes materials, to make things that nature hasn't yet dreamed of making.
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.
Thank you.
ممنون.
(Applause)