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.
Ik wil wat vertellen over hoe de natuur materiaal maakt. Ik heb een zeeoorschelp meegebracht. Deze zeeoorschelp is een biocomposietmateriaal dat voor 98 massaprocent uit calciumcarbonaat bestaat en voor twee massaprocent uit eiwit. Toch is het 3.000 keer sterker dan zijn geologische tegenhanger. Veel mensen gebruiken misschien structuren als zeeorenschelpen, als krijt. Ik ben gefascineerd door hoe de natuur materiaal maakt, en er is veel navolging van hoe ze zo'n uitgelezen taak volbrengt. Een onderdeel daarvan houdt in dat dit materiaal een macroscopische structuur heeft, maar op nano-schaal wordt gevormd. Ze zijn op nano-schaal gevormd, en ze gebruiken eiwitten die op genetisch niveau zijn vastgelegd, waardoor ze deze voortreffelijke structuren kunnen opbouwen.
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?
Wat ik erg fascinerend vind, is de vraag of je niet-levende structuren zoals batterijen en zonnecellen een leven kunt geven. Als ze nou eens een paar van de capaciteiten van de zeeoor zouden hebben, zoals in staat zijn om bij kamertemperatuur en normale druk, werkelijk voortreffelijke structuren op te bouwen uit niet-giftige stoffen en zonder giftig materiaal in het milieu te brengen? Dus ik heb over dat visioen nagedacht. Als je nou eens een batterij kon laten groeien in een petrischaaltje? Of als je een batterij genetische informatie kon geven, zodat deze na verloop van tijd steeds beter wordt, en ook nog op een milieuvriendelijke manier?
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.
Om terug te komen op deze zeeoorschelp, naast de nano-structuur is het fascinerend dat als een zeeoormannetje en zeeoorvrouwtje bij elkaar komen, ze genetische informatie uitwisselen die vertelt: "Zo kun je een voortreffelijk materiaal maken. Zo doe je dat bij kamertemperatuur en normale druk, met niet-giftige stoffen." Hetzelfde geldt voor de kiezelwieren hier, die een glasachtige structuur hebben. Telkens als een kiezelwier zich voortplant, geven ze de genetische informatie door die vertelt: "Zo kun je glas maken in de oceaan, met een perfecte nano-structuur. En dat kun je steeds weer opnieuw doen." Als je dat nou eens zou kunnen doen met een zonnecel of een batterij? Ik vertel graag dat mijn favoriete biomateriaal, mijn vier jaar oud kind is.
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?
Iedereen die ooit kleine kinderen heeft gehad of kent, weet dat ze ongelofelijk complexe organismen zijn. Als je ze ervan wilt overtuigen iets te doen waar ze geen zin in hebben, is dat heel moeilijk. Dus als we aan toekomsttechnologieën denken, denken we aan het gebruik van bacteriën en virussen, eenvoudige organismen. Kun je ze overtuigen om een nieuwe gereedschapskist te gebruiken, zodat ze structuren kunnen bouwen, die voor mij van belang zijn?
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.
Ook denken we na over toekomsttechnologieën. We beginnen bij het ontstaan van de aarde. In wezen duurde het een miljard jaar tot er leven was op aarde. Heel snel werd het meercellig, ze konden zich voortplanten, ze konden fotosynthese gebruiken om aan energie te komen. Maar het is hooguit 500 miljoen jaar geleden -- tijdens het geologisch tijdperk Cambrium -- dat organismen in de oceaan harde materialen begonnen aan te maken. Daarvoor waren het allemaal zachte, pluizige structuren. In die tijd was er een verhoogde concentratie calcium en ijzer en silicium in het milieu. Organismen leerden hoe ze harde materialen konden maken. Dat wil ik ook kunnen -- de biologie overtuigen om met de rest van het periodiek systeem te werken.
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.
Als je de biologie bekijkt, zijn er veel structuren waarvan je gehoord hebt, zoals DNA en anti-lichaampjes en eiwitten en ribosomen, die al een nano-structuur hebben. Dus de natuur geeft ons al werkelijk voortreffelijke structuren op nano-schaal. Als we die nou eens konden benutten en ze ervan te overtuigen dat ze geen anti-lichaampje zijn dat iets als HIV doet? Maar als we ze ervan konden overtuigen om voor ons een zonnecel te bouwen? Hier zijn wat voorbeelden: dit zijn natuurlijke schelpen. Het zijn natuurlijke biologische materialen. De zeeoorschelp hier -- en als je die breekt, zie je dat ze een nano-structuur heeft. Er zijn kiezelwieren die uit siliciumdioxide bestaan, en dat zijn magnetotactische bacteriën, die kleine enkel-domein magneetjes maken, die ze gebruiken voor navigatie. Wat deze allemaal gemeen hebben is dat deze materialen op een nano-schaal zijn gestructureerd. Ze hebben een DNA-sequentie die codeert voor een eiwitsequentie, die hen een blauwdruk geeft om deze wonderlijke structuren zelf te kunnen bouwen. Nu weer terug naar de zeeoorschelp. De zeeoor maakt deze schelp met eiwitten. Deze eiwitten zijn erg negatief geladen. Ze kunnen calcium uit hun omgeving onttrekken, een laagje calcium leggen en dan carbonaat, calcium en carbonaat. Het heeft de chemische volgorde van aminozuren die vertellen: "Zo kun je de structuur opbouwen. Hier is de DNA-sequentie, hier is de eiwitsequentie om het te doen." Dus het is een interessante gedachte, als je elk materiaal dat je wilt kunt kiezen, of elk element uit het periodiek systeem, en er dan de overeenkomstige DNA-sequentie bij zoeken, dan daar de overeenkomstige eiwitsequentie bij coderen, om een structuur op te bouwen, maar geen zeeoorschelp. Bouw dan iets waar de natuur nog nooit mee heeft kunnen werken.
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."
Hier is het periodiek systeem. Ik hou absoluut van het periodiek systeem. Elk jaar heb ik voor de nieuwe studenten, die beginnen op MIT, een periodiek systeem gemaakt met de tekst: "Welkom op MIT. Nu voel je je in je element."
(Laughter)
Als ik dat omsla, zie je de aminozuren
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?'"
met de zuurgraad waarop ze een andere lading krijgen. Dus ik geef dit mee aan duizenden mensen. Ik weet dat er MIT op staat, en dit hier is Caltech, maar ik heb er een paar extra als iemand ze wil hebben. Ik had veel geluk dat president Obama dit jaar mijn lab bezocht bij zijn bezoek aan MIT. Ik wilde hem echt een periodiek systeem geven. Ik bleef laat op en praatte met mijn man. "Hoe geef ik president Obama een periodiek systeem?" Als hij nou zegt: "O, ik heb er al eentje", of "Dat ken ik al uit mijn hoofd"?
(Laughter)
Hij kwam mijn lab bezoeken
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."
en keek rond -- het was een geweldig bezoek. Aan het einde, zei ik: "Meneer, ik wil u een periodiek systeem geven voor het geval u ooit in de problemen bent en het moleculair gewicht moet kunnen berekenen."
(Laughter)
Ik vond dat moleculair gewicht minder nerd-achtig klonk
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
dan molmassa.
(Laughter)
Dus hij keek ernaar,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
en hij zei: "Dank u. Ik zal er periodiek naar kijken."
(Laughter)
(Gelach)
(Applause)
(Applaus)
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 ...
Later toen hij een lezing over schone energie gaf, haalde hij het tevoorschijn en zei: "En de MIT-mensen delen periodieke systemen uit."
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.
Wat ik jullie niet verteld heb, is dat organismen 500 miljoen jaar geleden begonnen met materialen maken, maar dat het ze 50 miljoen jaar kostte om er goed in te worden. Het kostte ze ongeveer 50 miljoen jaar om het maken van zo'n zeeoorschelp te perfectioneren. Daar heeft een student geen zin in. "Ik heb een geweldig project -- 50 miljoen jaar". Daarom moesten we een manier verzinnen om dit sneller te kunnen doen. Daarom gebruiken we een niet-giftig virus dat de M13 bacteriofaag heet, die als taak heeft om bacteriën te besmetten. Het heeft een eenvoudige DNA-structuur die je kunt bewerken en waar je met cut en paste DNA-sequenties aan kunt toevoegen. Door dat te doen, zorg je dat het virus willekeurige eiwitsequenties voortbrengt.
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.
Dat is erg gemakkelijke biotechnologie. Je kunt dit in feite een miljard keer doen. Je krijgt dan een miljard verschillende virussen die allemaal genetisch identiek zijn, maar ze verschillen van elkaar op basis van die stukjes, op één sequentie die voor één eiwit codeert. Als je nu al die miljard virussen in een druppel vloeistof verzamelt, dan kun je ze dwingen om met het hele periodiek systeem te werken. Via een proces van selectie-evolutie, kun je er net die ene uitpikken die iets doet wat jou bevalt, zoals een batterij of een zonnecel te laten groeien. Virussen kunnen zichzelf niet vermenigvuldigen. Ze hebben een gastheer nodig.
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.
Als je die ene van het miljard hebt gevonden, besmet je er een bacterie mee, en je maakt miljoenen, miljarden kopieën van die specifieke sequentie. Wat verder zo mooi is aan biologie, is dat biologie je werkelijk voortreffelijke structuren geeft met een leuke verbindingsschaal. Deze virussen zijn lang en mager, en we kunnen ze de mogelijkheid geven om zoiets als halfgeleiders te laten groeien of materialen voor batterijen.
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.
Dit is een sterke batterij die we in ons lab lieten groeien. We sleutelden aan een virus om het koolstof nanobuisjes te laten opnemen. Dus één deel van het virus pakt het koolstof nanobuisje. Het andere deel van het virus heeft een sequentie die een elektrode voor een batterij kan laten groeien. Daarna sluit het zichzelf aan op de stroomverzamelaar. Dus met een proces van selectie-evolutie, hebben we een virus dat een zwakke batterij maakte, veranderd in een virus dat een goede batterij maakt. Een virus dat een recordbrekende, sterke batterij maakt op kamertemperatuur, eigenlijk op een werkblad. Die batterij ging naar het Witte Huis voor een persconferentie. Ik heb ze meegebracht. Je ziet in dit geval -- dat doet deze LED oplichten. Als we dit konden opschalen, zou je het kunnen gebruiken om je Prius op te laten lopen. Dat is mijn droom -- om in een virus-aangedreven auto te rijden.
(Laughter)
Maar eigenlijk --
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.
je kunt er eentje van het miljard uitpikken. Je kunt er allerlei aanpassingen op aanbrengen. Je maakt een aanpassing in het lab. Daarna laat je het structuren als een batterij zelf in elkaar zetten. We kunnen dit ook doen met katalyse. Dit is het voorbeeld van fotokatalytische splitsing van water. Wat we hebben gedaan, is een virus in elkaar knutselen dat kleurstofabsorberende moleculen pakt, en die opstelt op het oppervlak van het virus. Dus het werkt als een antenne, en je krijgt een energie-uitwisseling over het virus. Dan geven we het een tweede gen, om het anorganisch materiaal te laten groeien, dat gebruikt kan worden om water te splitsen in zuurstof en waterstof, voor schone brandstof. Ik heb vandaag een voorbeeld meegebracht. Mijn studenten beloofden me dat het zal werken. Dit zijn nano-draadjes die door virussen in elkaar zijn gezet. Als je er licht op laat vallen, zie je ze bubbelen. In dit geval zie je zuurstofbelletjes vrijkomen.
(Applause)
In feite kun je door de genen te controleren,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
de vele materialen controleren om de prestaties van je apparaat te verbeteren. Het laatste voorbeeld zijn zonnecellen.
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.
Je kunt dit ook doen met zonnecellen. We hebben virussen ontwikkeld om koolstof nano-buisjes op te halen en daar titaniumdioxide omheen te laten groeien -- en gebruiken als een manier om elektronen door het apparaat te krijgen. We hebben ontdekt dat we met genetische engineering, de efficiëntie van deze zonnecellen laten toenemen tot recordhoogte voor deze types kleurstofgevoelige systemen. Zo een heb ik ook meegebracht. Straks kun je er buiten wat mee spelen. Dit is een op virussen gebaseerde zonnecel. Door evolutie en selectie, hebben we een zonnecel met acht procent efficiëntie tot 11 procent efficiëntie verhoogd.
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.
Dus ik hoop dat ik jullie ervan overtuigd heb dat er een hoop geweldige, interessante dingen te leren zijn over hoe de natuur materialen maakt. Om de volgende stap te nemen om te kijken of je kunt dwingen, of dat je voordeel kunt hebben van hoe de natuur materialen maakt, om dingen te maken waarvan de natuur zelf niet durft te dromen.
Thank you.
Dank je.
(Applause)