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.
Unë mendoj se do të flisja pak rreth asaj se si natyra i benë materialet. kam sjallur me vete një guacë të kërmillit. Guaca e kërmillit është një material bio i kompozuar i cili 98 përqin e tij është nga masa e kalcuimit të karbonuar dhe dy përqind me masë proteine. Akom, është 3.000 herë më i fuqishem sesa pjesa e tijë gjeologjike. Dhe shumë njerëz mund të përdorin struktura sikurse guacat e kërmillit sikurse shkumës. Unë kam qen i fasjonuar sesi natyra i bën materialet, dhe ka shumë konsekuenca sesi bejnë aq shumë punë të lodhëshme. Pjes e tij është se këto materiale janë mikroskopike në strukturë, mirpo ato janë formuar në nano-madhësi. Ato janë formuar në nano-madhësi, dhe ato përdorin proteina të cilat janë të koduara nga nivelet gjenetike të cilat u lejojnë atyre të ndërtojnë këto struktura shumë të vështira.
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?
Pra diqka që unë mendoj se është shumë fasjonuese është ajo që qfar nëse do mund ti jepni jetë strukturave jo-jetuese, sikurse baterive dhe qelizave solare? Qka nëse aot kan të njejtat mundësi sikurse guacat e kërmijve, në mundësit e të qenit leht të ndertueshme të ketyre strukturave të ndërlikuara tek temperaturat e dhomes dhe prsioni i saj, duke përdorur kemikale jo-toksike dhe duke i shtuar materiale jo toksite mbapa në ambientë? Pra ky është vizjoni për të cilin kam qen duke menduar. Dhe qfar nëse mund të rritësh një bateri në një enë plastike? apo, qfar nese mund t'ju kishit dhën informacione gjenetike një bateria pra ajo do kishte qen më e mirë si funksion i kohës, dhe bërja e kësaj në një menyrë shumë shoqërore për ambientin?
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.
Pra, ti kthehemi prap kësaj guacës së kërmillit, përveq të qenit nano-strukturë, një gjë e cila është fasjonuese, është kur një djal dhe një mashkull bëhen së bashku, ata kalojnë në informata gjenetike të cilat thon, " Kjo është ajo se si të ndërtosh materiale të vështira. Këtu është se si të behet në temperatura dhe presion të dhomës, duke përdorur materiale jo-tokësike." e njejta me diatom, të cilat janë shfaqur mu këtu, të cilat janë struktura të gjamosura. Gjdo herë kur një diatom replikohet, ato i japin informatat gjentetike të cilat thonë, "Këtu është se si të ndërtosh gjam në oqean ajo është nano-strukturë përfekte. Dhe ju mund ta beni poashtu, prap dhe prapë." Pra qfarë nëse mund ta besh po të njejten gjë me një qelizë solare apo bateri? Më pëlqen të them se biomateriali imë i preferuar është katër vite i vjetër.
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?
Mirpo secili që ka pasur, apo ka ditur, fëmijet të vegjel e dinë që ata janë organizma tmerrësisht kompleksë. Pra nëse dëshiron ti bindesh ata që të bejnë diqka që ata nuk dëshirojnë të bejnë. Është shumë e vështirë. Pra kur mendojmë për teknologjin e së ardhmës, ne faktikisht mendojmë të përdorim bakterie dhe virusë, organizma të thjeshtë. A mund ti bindësh ata që të punojnë me një kuti të re veglashë, që ata të mund të ndërtojnë një strukturë e cila do të jetë e rendësishme për mua?
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.
Gjithashtu, kur ne mendojmë për teknologjin e së ardhmës, ne fillojmë me fillimin e tokës. Faktikisht, ju deshtë një miljardë vite për tu krijuar jeta në tokë. Dhe secilen pas tjetres, ata behet multi-qelizore, ato mund të replikohen, ato mund të përdorin fotosintezen si menyr për ta marrur burimet e energjisë. Mirpo ishte deri rreth 500 miljonë vite më parë -- gjat periudhës gjeologjike të Cambrian-it organizmat në oqeane filluan të bejnë materiale të renda. Përpara kësaj, ato të gjitha ishin të bua, struktura të plota. Dhe ishte gjat kësaj kohe që kishte një rritje të kalcuimit dhe hekuri dhe silikonit në ambient, dhe organizmat mësuan se si të bejnë materiale të forta. Pra kjo është ajo që unë do të dëshiroja të jem në gjendje ta bejm -- ta bindim biologjinë që të punoj me pjesen tjetër të sistemit 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.
Tani po ta shiqoni biologjinë, ka shumë struktura sikurse ADN-ja dhe antitrupat dhe proteina dhe ribozone të cilat janë të vështira rreth asaj nano-struktures. Pra natyra tani na ka dhën neve struktura vërtet të rendësishme në nano-madhësi. Qka nese do ti dëmtoje ato dhe bindesh ato të mos-jenë një antitrupë i cili bën diqka sikurse HIV? Mirpo qfar nëse i bindim ato për të ndërtuar një qelizë solare për ne? Pra këtu kemi disa shembuj: Këto janë disa guacka natyrale. Janë materiale natyrale biologjike. Guacat e kërmijve këtu -- dhe nëse i thyen ato, ju mund ti shiqoni faktet të cilat është një nano-strukturë. Ka dietome të bëra nga SIO2, dhe ato janë bakterje magnetotike të cilet e bejnë një magnet të vetem të vogël të përdoret për navigim. Qfarë kanë të përbashkëta të gjitha këto është sepse këto materiale janë të strukturuara në nano-madhësi, dhe ato kanë një sekuencë ADN-je të cilat e kodojnë për një proteinë sekuncive e cila ju jep atyre skicen që të jenë në gjendje të ndërtojnë struktura të mrekullueshme. Tani, ti kthehemi prap guacave të kërmillit, Guacat e bejnë këtë kërmill të ketë këto proteina. Këto protenia janë shumë të mbushuar në menyr shumë negative. Dhe mund të lëshojnë kalcuim në ambient, vendoni një shtresë të kalcuimit dhe pastaj karbonojnë, kalcuim dhe karbonim. Ka konsekuenca kemikale të amino acideve, të cilat thonë, "Kjo është menyra sesi këto i ndërtojnë strukturat. Këto është sekuenca a ADN-së, këtu është ajo e proteines dhe për ta berë atë." Dhe një ide interesante është, qfar nese do mund të merrni ndonje material që dëshironit, apo ndonje element në tabelen periodike, dhe të gjeni sekuencen e ADN që i takon, dhe pastaj kodimin e saj për proteinen qe i takon për të ndërtuar një strukturë, jo një guacë të kërmillve -- ndërtimi i një gjëje të till, nepërmjet natyres, akoma nuk ka pasur mundësit për të funksionuar.
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."
Pra këtu është tabela periodike. dhe unë apsulutisht e dashuroj tabelen periodike. Gjdo vitë që hynë klasat e reja ne MIT, Kam një tabel të sistemit periodik i cili thot, "Mirësevini në MIT. Tani ju jeni në elementin tuaj."
(Laughter)
Dhe ju e shfletoni, dhe është amino acidet
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?'"
me PH tek të cilat ato kanë ngarkim të ndryshem. Dhe unë gjithashtu ju jap mijera njerëzve. Dhe unë e di që thon MIT, dhe është një caltech, mirpo kam disa më tepër nese njerëzit e dëshirojnë. Dhe isha shumë me fatë që kisha presidentin Obama që vizitoj laburatorin tim në viziten e tij në MIT, unë me të vërtet dëshiroja ti jap atij një tabel periodike. Pra qëndrova deri vonë naten, dhe fola me burrin tim, "Si ti jap presidentit Obama një tabel periodike? Qfar nëse ai tho, "Oh unë kam një në shtepin time,' apo "e kam të fikësuar atë?" (Qeshen)
(Laughter)
Pra ai erdhi të vizito laburatorin tiim
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."
dhe shiqonte rreth e rrotull -- ishte një vizitë e mirë. Dhe pastaj unë i thash, "Zotri, Dëshiroj t'ju jap një tabel periodike në rast se jeni të verber dhe ju duhet të kalkuloni peshen e molekulave."
(Laughter)
Unë mendova se pesha e molekulave tingllonte më tërheqse
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
sesa masa e dhëmballave.
(Laughter)
Ai e shiqoj atë
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
dhe tha, "Faliminderit. Do ta shiqoj në menyr perdioke."
(Laughter)
(Qeshen)
(Applause)
(Duartrokitje)
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 ...
Dhe më vonë në leksionin që ai dha mbi energjin e pastërt, ai shpalosi dhe tha, "Dhe njerëzit në MIT, japin tabela perdiodike."
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.
Pra atë që unë nuk ju thash është se rreth 500 milion vite më parë, organizmat filluan të prodhojnë materiale, mirpo i'ju desht atyre rreth 50 milion vite për ta berë mirë. I'u deshë atyre rreth 50 milion vite për të mësuar sesi të perfeksionojnë atë guac kërmilli. Dhe ajo është e vështir ti tregohet një studenti të diplomuar.(Qeshen) Unë kisha këtë projekt të mrekullueshem -- 50 miljonë vite më parë." Pra ne u dasht të zhvillojmë një menyr për të provuar ta bejmë kohëpaskohe. Dhe ne përodem një virus që është jo-tokësik e quajtur M13 bakteriofagë punë e tij është ti infekton bakteriet. Ka një strukturë të thjeshtë ADN-je për të cilat mund ta prsim dhe vendosim sekuenca tjera në të. Dhe duke e berë atë, e lejon virusin për të shfaq sekuenca të proteinave në menyr të rendomët.
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.
Dhe kjo është bioteknologji shumë e thjesht. Dhe faktikisht ju mund ta beni këtë një miljardë herë. Dhe ju mund të vazhdoni dhe të keni një miljard virusë të ndryshem të cilet janë gjenetikishtë identikë, mirpo ata ndryshojnë nga njëri tjetëri në majën e tyre, në një sekuencë e cila kodon për një proteinë. Tani nëse i merrni të gjithë ata miljard virusët dhe mund ti vendosni ata në një lëng, ju mund ti detyroni ato të bashkëveprojnë me gjdogjë që ju dëshironi në tabel periodike. Dhe nepërmjet një procesi të zgjedhëjes dhe evolvimit, ju mund të zgjedhni një nga një miljard viruset të cilet mund të bejnë diqka që ti dëshiron të bësh me ta, sikurse rritjen e një bateria apo qelize solare. Pra faktikisht, viruse nuk mund të replikohen vetvetiu; atyre ju duhet një strehues.
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.
Sapo të keni gjetur atë nga një miljardët, ju e infektoni atë në një bakterie, dhe ju beni miljona dhe miljarda kopje të asaj sekuence. Dhe gjëja tjetër e bukur rreth biologjisë është se biologjia ju jep juve një struktur shumë eksituese me madhësi dhe lidhje të bukura. Dhe me këta virusë të gjatë dhe dobët, ne mund ti marrim ata të paraqesin mundësin për të rritur diqka sikurse gjysëmpërcjellësit apo materiale për bateritë.
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.
Tani kjo është një bateri e furnizimit të lartë të cilen e kemi rritur në laburatorin tim. Ne ingjinjerum një virus për të marrur nanotubet e karboneve. Pra një pjesë e virusit mbledhë një nano karbonë. Pjesa tjetër e virusit ka një sekuencë e cila mund të rritë një elektrod për një bateri. Dhe pastaj e lidhë vetveten më mbëledhësin momental. Pra nepërmjet procesit të zgjedhëjes dhe evolvimit, ne kaluam nga të pasurit e një virusa i cili prodhonte një bateri e dobet tek një virus i cili mund të bejë një bateri të mirë deri tek një virusë i cili mund të bejë një bateri të cilësis së lartë rekorde e gjithë kjo është ndërtuar në temperaturen e dhomës, faktikisht tek një bankë në krye. Dhe ajo bateri shkoi tek shtëpia e bardhë për një konferenc gazetarësh. Kam sjellur me vete këtu. Ju mund ta shihni në këtë rast -- po e ndriqon këtë LED. Tani po të mund të rrisnim këtë, ju faktikisht mund ta përdorni atë për të lëvizur një Honda Prius, e cila është ëndrra ime -- të jemi në gjendje të vozisim një makinë të lëvizur më virusë.
(Laughter)
Mirpo është faktike --
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.
që mund të zgjedhësh një nga një miljardët. Ju mund të bëni shumë amplifikime tek ajo. Faktikisht, ju mund të beni një amplifikim në laburatorë, dhe pataj ta mbëledhësh sëbashku në një struktur sikurse një bateri. Ne jemi në gjendje ta bejmë atë gjithashtu edhe me katalysis. Ky është një shembull i një fotokatalysi i ndarë nga uji. Dhe ajo që kemi qen në gjendje të bejmë është ingjinjerimi i një virusi i cili mund të merr molekulat e vdekura dhe ti vendoni në sipërfaqen e një virusi pra vepron sikurse një antenë, dhe ju përfitoni një transfer energjie nepërmjet virusit. Dhe pastaj ne i japim gjenin e dytë për të rritur një material jo-organik i cili mund të përdoret për të ndarë ujin në oksigjen dhe hidrogjen i cili mund të përoret për karburantet e pastërta. Dhe kam sjellur një shembull të tij me vete sotë. Studentët e mij më premtuan mua so do të funksionon. Këta janë virusët të mbledhur në nano-lidhje. Kur shëndrrisni dritë në ta, ju mund ti shini ata duke u përdredhur. Në këtë rast, ju po shihni oksigjenin duke përdredhur jashtë.
(Applause)
Dhe faktikisht, duke i kontrolluar këto gjene,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
ju mund të kontrolloni shumë materiale për të përmisuar përformancat e paisjes suaj. Shembulli i fundit është qeliza solare.
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.
Ju gjithashtu mund ta bëni këtë me qeliza solare. Ne kemi arritur ta ingjinjerojmë një virusë i cili mbledhë nanotubat e karbonit dhe pastaj rritë dioksidet e titaniumit rreth vetit-- dhe përdor një menyr për të marrur elektronet nepërmjet paisjes. Dhe atë që ne gjetur është se nepërmjet ingjinjerimit gjenetikë, ne mund të rrisim përsosëshmerin e këtyre qelizave solare në numëra rekord për këto lloje të sistemeve dy-sentuese. Dhe unë kam sjellur një prej tyre me veti me të cilin mund të luani jashtë pastaj. Pra ky është një virusë i bazuar në qeliza solare. Nepërmjet evolvimit dhe zgjedhëjes, ne e morem nga një tetë përqind përfekshmeri e qelizave solare deri në 11 përqind eficient të qeliës solare.
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.
Pra shpresoj që ju kam bindur juve që ka shumë gjëra të bukura, itneresante që duhet mësuar në atë sesi natyra krijonë materiale -- dhe quarjen në hapin e ardhëshem për të parë nese mund ta detyrojmë, apo mund ta marrim përparësin e asaj se si natyral krijonë materialet, për të berë gjëra për të cilat natyra nuk ka ëndërruar për ti krijuar ato.
Thank you.
Faliminderit.
(Applause)