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.
Saya akan berbicara sedikit tentang bagaimana alam membuat material. Saya membawa sebuah cangkang abalon. Cangkang abalon ini adalah sebuah material biokomposit yang 98 persen massanya kalsium karbonat dan dua persen massanya protein. Tapi, benda ini 3.000 kali lebih kuat dari material geologis yang ada. Banyak orang bisa menggunakan struktur seperti abalon ini, untuk kapur misalnya. Saya terpesona oleh bagaimana alam membuat material, dan ada banyak urutan bagaimana mereka dapat melakukan pekerjaan serinci itu. Sebagian alasannya adalah karena material ini secara struktur makroskopik, tapi mereka dibentuk di skala nano. Mereka dibentuk di skala nano, dan mereka menggunakan protein yang disandi di tingkat genetik yang memampukan mereka membangun struktur yang sangat rinci ini.
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?
Jadi, yang menurut saya sangat menarik adalah bagaimana bila Anda dapat memberi kehidupan pada struktur yang tidak hidup, seperti baterai dan sel surya? Bagaimana bila mereka punya kemampuan yang sama seperti yang dilakukan cangkang abalon itu, dalam artian mampu membangun struktur yang sangat rinci pada suhu dan tekanan ruangan, menggunakan bahan yang tidak beracun dan tidak membuang bahan beracun ke lingkungan? Itulah visi yang selama ini saya pikirkan. Jadi bagaimana bila Anda bisa menumbuhkan baterai dalam cawan petri? Atau, bagaimana bila Anda dapat memberi informasi genetik pada sebuah baterai sehingga baterai itu dapat berfungsi lebih baik seiring berjalannya waktu, dan melakukannya dengan cara yang ramah lingkungan?
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.
Lalu, kembali ke cangkang abalon ini, selain strukturnya yang nano, satu hal yang mempesona, adalah ketika abalon jantan dan betina kawin, mereka mewariskan informasi genetik yang mengatakan, "Begini caranya membangun material yang rinci. Begini cara melakukannya pada suhu dan tekanan ruangan, menggunakan material tidak beracun." Sama dengan diatom, yang ditunjukkan di sini, strukturnya seperti gelas. Setiap kali diatom membelah, mereka memberi informasi genetik yang berkata, "Begini cara membuat gelas di dalam laut yang berstruktur nano secara sempurna. Dan kamu dapat melakukan hal yang sama, terus menerus." Jadi bagaimana bila Anda dapat melakukan hal yang sama pada sebuah sel surya atau baterai? Biomaterial favorit saya adalah anak saya yang berumur empat tahun.
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?
Siapapun yang pernah memiliki, atau mengenal, anak kecil tahu bahwa mereka adalah organisme yang sangat kompleks. Bila Anda ingin meyakinkan mereka untuk melakukan sesuatu yang tidak mereka inginkan, akan sangat sulit. Jadi ketika berpikir tentang teknologi masa depan, kita berpikir menggunakan bakteri dan virus, makhluk hidup yang sederhana. Dapatkah Anda meyakinkan mereka untuk bekerja dengan peralatan baru, sehingga mereka bisa membangun sebuah struktur yang akan jadi hal yang penting bagi saya?
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.
Lebih lagi, kita berpikir tentang teknologi masa depan. Kita mulai dengan awal dari Bumi. Pada dasarnya, butuh milyaran tahun sehingga kehidupan muncul di Bumi. Dan dengan sangat cepat, kehidupan menjadi bersel banyak, dapat menggandakan diri, dapat berfotosintesis sebagai cara mendapatkan sumber energi. Tapi baru setelah 500 juta tahun yang lalu -- pada periode waktu geologis Kambrian -- makhluk hidup di samudra mulai membuat material yang keras. Sebelumnya mereka semua mahkluk yang berstruktur lunak. Pada masa itulah ada peningkatan kalsium dan besi dan silikon di lingkungan mereka. Makhluk hidup belajar bagaimana membuat material keras. Saya ingin bisa melakukan hal itu -- meyakinkan biologi untuk bekerja dengan unsur lainnya di tabel periodik.
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.
Sekarang bila Anda lihat biologi, ada banyak struktur seperti DNA dan antibodi dan protein dan ribosom yang sudah Anda dengar dan mereka sudah berstruktur nano. Jadi alam sudah memberi kita struktur yang benar-benar rinci dengan skala nano. Bagaimana bila kita dapat memanfaatkan mereka dan meyakinkan mereka untuk tidak menjadi antibodi yang berakibat seperti HIV? Tapi bagaimana bila kita dapat meyakinkan mereka untuk membangun sebuah sel surya untuk kita? Ini beberapa contohnya: ini adalah beberapa cangkang alami. Ini adalah material biologis alami. Cangkang abalon di sini -- bila Anda memecahkannya, Anda dapat melihat bukti bahwa strukturnya nano. Ada diatom yang terdiri dari SiO2, dan ada bakteria magnetotatis yang membuat magnet tunggal kecil yang digunakan untuk navigasi. Kesamaan contoh-contoh ini adalah bahwa material itu disusun pada skala nano, dan mereka punya sekuen DNA yang menyandi sebuah sekuen protein, yang memberi mereka cetak biru untuk dapat membangun struktur yang sungguh mengagumkan ini. Sekarang, kembali ke cangkang abalon, abalon membuat cangkang ini dengan protein-protein ini. Protein ini bermuatan sangat negatif. Mereka dapat menarik kalsium dari lingkungan, menyusun lapisan kalsium lalu karbonat, kalsium dan karbonat. Ada sekuen kimia asam-asam amino yang berkata, "Begini cara membangun strukturnya. Ini sekuen DNA-nya, ini sekuen proteinnya untuk melakukan pekerjaan itu." Bagaimana bila Anda dapat mengambil material yang Anda inginkan, atau unsur apapun dalam tabel periodik, dan menemukan sekuen DNA yang cocok dengan itu, lalu menyandinya untuk sekuen protein yang cocok untuk membangun sebuah struktur, tapi bukan cangkang abalon -- membangun sesuatu yang, di alam, belum pernah dibuat di alam.
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."
Ini adalah tabel periodiknya. Saya sungguh suka tabel periodik ini. Setiap tahun untuk mahasiswa baru di MIT, saya membuat tabel periodik yang bertuliskan, "Selamat datang di MIT. Sekarang Anda berada dalam unsur Anda."
(Laughter)
Silakan Anda balik, di sana ada asam-asam amino
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?'"
dengan pH di mana mereka punya muatan berbeda. Saya memberikan ini pada ribuan orang. Saya tahu ada tulisan MIT, dan ini Caltech, tapi saya punya kelebihan bila Anda mau. Saya sungguh beruntung dikunjungi Presiden Obama di lab saya tahun ini, pada kunjungannya ke MIT, saya sungguh ingin memberinya sebuah tabel periodik. Saya tak bisa tidur, dan saya bicara pada suami saya, "Bagaimana cara saya memberi tabel periodik pada Presiden Obama? Bagaimana bila dia bilang, 'Oh, saya sudah punya satu,' atau, 'Saya sudah menghafalnya'?"
(Laughter)
Lalu dia berkunjung ke lab saya
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."
dan melihat-lihat -- itu kunjungan yang baik. Lalu kemudian saya berkata, "Pak, saya ingin memberi Anda tabel periodik untuk jaga-jaga bila suatu saat Anda butuh menghitung berat molekul."
(Laughter)
Saya pikir berat molekul terdengar jauh lebih tidak aneh
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
daripada massa molar.
(Laughter)
Lalu dia melihat tabel itu,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
dan dia berkata, "Terima kasih. Saya akan melihatnya secara periodik."
(Laughter)
(Tawa)
(Applause)
(Tepuk tangan)
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 ...
Kemudian pada ceramahnya tentang energi bersih, dia mengeluarkannya dan berkata, "Orang-orang di MIT membagi-bagikan tabel periodik."
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.
Pada dasarnya yang belum saya katakan adalah bahwa sekitar 500 juta tahun lalu, makhluk hidup mulai membuat material, tapi mereka butuh sekitar 50 juta tahun untuk jadi mahir. Mereka butuh waktu sekitar 50 juta tahun untuk belajar menyempurnakan cara membuat cangkang abalon itu. Itu bukan hal yang menarik bagi murid pascasarjana. "Saya punya proyek besar -- 50 juta tahun." Maka kami harus mengembangkan cara untuk mencoba melakukan hal ini lebih cepat. Maka kami menggunakan virus yang tidak beracun yang disebut bakteriofag M13 yang kerjanya menginfeksi bakteria. Dia punya sebuah struktur DNA yang sederhana sehingga Anda dapat masuk, memotong, dan merekatkan sekuen DNA tambahan di dalamnya. Dengan melakukan hal itu, virus itu dapat mengekspresikan sekuen protein yang acak.
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.
Ini bioteknologi yang cukup mudah. Pada dasarnya Anda dapat melakukannya milyaran kali. Anda dapat bekerja dan memiliki semilyar virus yang berbeda yang identik secara genetis, tapi satu sama lain berbeda pada satu hal, pada satu sekuen yang menyandi satu protein. Bila Anda ambil semua milyaran virus itu, dan Anda dapat menaruhnya dalam satu tetes cairan, Anda dapat memaksa mereka berinteraksi dengan apapun yang Anda inginkan di tabel periodik. Dan melalui sebuah proses seleksi evolusi, Anda dapat mengambil satu dari satu milyar itu yang melakukan sesuatu yang Anda inginkan, seperti menumbuhkan sebuah baterai atau sel surya. Pada dasarnya virus tak dapat menggandakan diri sendiri, mereka butuh inang.
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.
Saat Anda menemukan satu dari semilyar itu, Anda infeksikan virus itu ke bakteri, dan Anda buat berjuta-juta kopi salinan dari sekuen tertentu itu. Hal lain yang menarik tentang biologi adalah bahwa biologi memberi Anda struktur yang sungguh rinci dengan sambungan sisik yang bagus. Virus-virus ini panjang dan kurus, dan kita dapat menggunakan mereka mengekspresikan kemampuan untuk menumbuhkan sesuatu seperti semikonduktor atau material untuk baterai.
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.
Ini adalah baterai bertenaga besar yang kami tumbuhkan di lab saya. Kami merekayasa sebuah virus untuk mengambil tabung karbon nano. Satu bagian virus mengambil tabung karbon nano. Bagian virus lainnya punya sekuen yang dapat menumbuhkan material elektroda untuk sebuah baterai. Lalu virus itu menyambungkan dirinya sendiri ke pengumpul arus. Melalui sebuah proses seleksi evolusi, kami maju dari punya sebuah virus yang menghasilkan baterai yang rapuh ke virus yang menghasilkan baterai yang bagus ke virus yang menghasilkan baterai yang bertenaga besar dan memecahkan rekor semua itu dibuat di suhu ruangan, di atas meja. Baterai itu dibawa ke Gedung Putih untuk konferensi pers. Saya membawanya ke sini. Anda dapat melihatnya ada di dalam wadah ini -- menyalakan LED ini. Bila kita dapat memperbesar skalanya, Anda dapat menggunakannya untuk menjalankan mobil Prius Anda, itu mimpi saya -- dapat mengendarai mobil bertenaga virus.
(Laughter)
Tapi pada dasarnya --
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.
Anda dapat ambil satu dari satu juta. Anda dapat memperbanyaknya berulang kali. Anda melakukan amplifikasi di lab. Lalu Anda membuatnya menyusun dirinya sendiri menjadi struktur seperti baterai. Kami juga mampu melakukan hal yang sama dengan katalisis. Ini contohnya fotokatalisis membelah molekul air. Apa yang sudah dapat kami lakukan adalah merekayasa virus untuk mengambil molekul penyerap warna dan menatanya di permukaan virus itu sehingga molekul tersebut berperan sebagai antena, dan terjadi transfer energi melalui virus itu. Lalu kami memberinya gen kedua untuk menumbuhkan material inorganik yang dapat digunakan untuk membelah air menjadi oksigen dan hidrogen, yang dapat digunakan untuk bahan bakar yang bersih. Saya bawa contohnya bersama saya hari ini. Mahasiswa saya berjanji ini akan bekerja. Ini adalah kawat nano yang disusun dari virus. Ketika Anda menyinarinya, Anda dapat melihat mereka bergelembung. Dalam hal ini Anda sedang melihat gelembung oksigen keluar.
(Applause)
Pada dasarnya dengan mengendalikan gen,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
Anda dapat mengatur beberapa material yang dapat meningkatkan kinerja piranti Anda. Contoh terakhir adalah sel surya.
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.
Anda juga dapat melakukan hal ini pada sel surya. Kami telah mampu merekayasa virus untuk mengambil tabung karbon nano dan lalu menumbuhkan titanium dioksida di sekitar mereka -- yang digunakan untuk menyalurkan elektron melalui piranti itu. Apa yang kami temukan adalah melalui rekayasa genetik, kita dapat benar-benar meningkatkan efisiensi sel-sel surya ini sampai ke angka rekor untuk sistem yang disensitisasi pewarna semacam ini. Saya juga bawa satu contohnya jadi Anda bisa bermain dengannya di luar nanti. Jadi ini adalah sel surya berbasis virus. Melalui evolusi dan seleksi, kami mengembangkannya dari sel surya berefisiensi 8% ke sel surya berefisiensi 11%.
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.
Saya harap saya telah meyakinkan Anda bahwa ada banyak hal yang besar dan menarik untuk dipelajari tentang bagaimana alam membuat material -- dan membawanya ke tingkat lebih lanjut untuk mengetahui apakah Anda dapat memaksa, atau Anda dapat mengambil keuntungan dari bagaimana alam membuat material, untuk membuat hal yang belum pernah dibuat di alam.
Thank you.
Terima kasih.
(Applause)