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.
Tôi nghĩ tôi sẽ nói 1 chút về cách mà tự nhiên tạo ra vật chất. Tôi mang đến đây 1 vỏ bào ngư. Cái vỏ bào ngư này là 1 vật liệu phức hợp sinh học nó có 98% khối lượng là canxi cacbonat và 2% là protêin. Nhưng, nó bền gấp 3000 lần những bản sao địa chất. Và rất nhiều người có thể đã sử dụng những cấu trúc tương tự như những chiếc vỏ bào ngư, ví dụ như phấn viết bảng. Tôi đã bị mê hoặc bởi cách mà tự nhiên tạo ra các vật liệu, và có rất nhiều quy trình để chúng thực hiện công việc đầy tinh tế này. Một phần trong số đó là những vật chất này là những cấu trúc vĩ mô, nhưng chúng được tạo ra ở tầm nano. Chúng được tạo ra ở tầm nano, và chúng sử dụng protêin được mã hóa trong gen để tạo ra những cấu trúc thực sự tinh vi.
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?
Tôi nghĩ sẽ thật là tuyệt vời nếu bạn có thể trao sự sống cho những cấu trúc vô tri, như pin hay pin sử dụng năng lượng mặt trời? Hãy thử tưởng tượng, nếu chúng có được 1 số khả năng như là cái vỏ bào ngư, trong việc xây dựng những cấu trúc thực sự tinh vi ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí, sử dụng những hóa chất không độc hại và không thải ra bất kì hóa chất độc hại nào vào môi trường? Đó chính là tầm nhìn mà tôi luôn nghĩ tới. Và sẽ ra sao nếu bạn có thể "trồng" pin ở 1 cái đĩa Petri? Hoặc, sẽ ra sao nếu bạn có thể đưa thông tin di truyền mã hóa cho pin để nó thực sự trở nên tốt hơn như là 1 chức năng của thời gian, và làm như vậy bằng 1 cách thân thiện với môi trường?
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.
Và giờ, quay trở lại với chiếc vỏ bào ngư này, bên cạnh cấu trúc nano của nó, 1 điều nữa thực sự rất hấp dẫn, đó là khi bào ngư đực và cái kết đôi với nhau, chúng truyền đi những thông tin di truyền cho thấy, "Đây là cách để tạo ra những vật chất tinh vi. Là cách có thể làm ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí, sử dụng các vật liệu không độc." Tảo cát cũng vậy, ở trên slide này, chúng là những cấu trúc thủy tinh. Mỗi khi tảo cát sinh sản, chúng truyền đi những thông tin di truyền cho thấy, "Đây là cách tạo thủy tinh ở đại dương có cấu trúc nano hoàn hảo. Và bạn có thể làm điều tương tự, lăp đi lặp lại." Vậy sẽ ra sao nếu bạn có thể làm điều tương tự với pin mặt trời hoặc pin hóa học? Tôi muốn nói rằng chất liệu sinh học tôi khoái nhất là nhóc con mới 4 tuổi của tôi.
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?
Nhưng bất kì ai đã từng có, hay biết về trẻ con đều biết chúng là những sinh vật phức tạp đến đáng kinh ngạc. Vậy nếu bạn muốn thuyết phục chúng làm những điều chúng không muốn, điều đó là rất khó. Vì thế, khi chúng ta nghĩ đến các công nghệ tương lai, thực chất là chúng ta nghĩ đến việc sử dụng vi khuẩn và vi rút, những sinh vật đơn giản. Liệu bạn có thể thuyết phục chúng làm việc với 1 chiếc hộp công cụ mới để có thể tạo ra nhưng cấu trúc sẽ trở nên quan trọng với tôi hay không?
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.
Đồng thời, chúng tôi nghĩ về những công nghệ tương lai. Chúng tôi bắt đầu với sự hình thành Trái Đất. Về cơ bản, sẽ mất đến cả tỉ năm để sự sống tồn tại trên Trái Đất. Và rất nhanh chóng, chúng trở thành đa tế bào, chúng có thể tái tạo, chúng có thể sử dụng sự quang hợp như là 1 nguồn năng lượng. Nhưng chỉ tới 500 triệu năm trước -- trong thời kì địa chất Cambri -- thì những sinh vật ở biển mới bắt đầu tạo nên những vật chất cứng. Trước đó, chúng đều là những cấu trúc mềm và có lông tơ. Cũng trong khoảng thời gian đó có sự tăng lên của canxi, sắt, và silicon trong môi trường. Và những sinh vật này học cách tạo ra những vật chất cứng. Và đó cũng là điều là tôi muốn làm -- thuyết phục sinh học làm việc với "phần còn lại của bảng tuần hoàn".
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.
Giờ nếu bạn nhìn vào sinh học, có rất nhiều cấu trúc như DNA và kháng thể và prôtêin hay ri-bô-xôm mà chúng ta biết chúng chính là những cấu trúc nano. Vậy là tự nhiên đã cho chúng ta những cấu trúc thực sự tinh vi ở mức nano rồi. Sẽ ra sao nếu chúng ta có thể trang bị cho chúng và thuyết phục chúng đừng trở thành những kháng nguyên làm những việc tương tự như HIV? Mà chúng ta có thể thuyết phục chúng tạo ra pin mặt trời cho chúng ta? Và đây là 1 số ví dụ: đây là một vài cái vỏ trong tự nhiên. Chúng là những vật liệu sinh học tự nhiên. Cái vỏ bào ngư ở đây -- nếu bạn bẻ gãy nó, bạn có thể thấy nó thực sự có cấu trúc nano. Còn đây là tảo cát tạo bởi SIO2, và chúng là vi khuẩn điện từ có thể tạo ra những nam châm 1 cực nhỏ dùng để định vị. Chúng đều có chung 1 đặc điểm là những vật chất này đều được kết cấu ở tầm nano, và chúng có các chuỗi DNA để mã hóa cho chuỗi protein, mà mang đến cho chúng những bản thiết kế cho phép xây dựng những cấu trúc thực sự tuyệt vời. Và giờ, quay trở lại với cái vỏ bào ngư, bào ngư tạo ra cái vỏ này bằng những protêin đó. Những protein này tích điện âm nên chúng có thể "hút" nguyên tử canxi từ môi trường xung quanh, sắp xếp thành 1 lớp canxi rồi 1 lớp cacbon, canxi rồi cacbon. Những protêin tạo thành bởi các axit amin cho thấy, "Đây là cách để xây dựng các cấu trúc. Đây là chuỗi DNA, còn đây là chuỗi protein để tạo nên nó." Và ý tưởng thú vị là, sẽ ra sao nếu bạn có thể lấy bất kì vật chất nào bạn muốn, hay bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn, và tìm chuỗi DNA tương ứng, sau đó mã hóa nó thành 1 chuỗi protêin để tạo nên 1 cấu trúc, nhưng không phải là cái vỏ bào ngư -- mà 1 thứ khác, thông qua tự nhiên, chưa bao giờ chúng có cơ hội thực hiện.
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."
Và đây là 1 bảng tuần hoàn hóa học. Tôi yêu nó lắm. Hàng năm, trong lớp học cho sinh viên mới tại MIT, tôi cho in các bảng tuần hoàn với câu nói, "Chào mừng đến với MIT. Giờ bạn nằm trong nguyên tố của mình."
(Laughter)
Và nếu bạn lật sang mặt bên kia thì sẽ thấy các axit amin
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?'"
với các độ pH tương ứng với điện tích của các axit amin. Và tôi đã phát bảng tuần hoàn này cho hàng ngàn người. Tôi nói, đây là MIT, mà đây là Caltech, nhưng tôi vẫn còn thừa vài cái đấy, ai đó muốn lấy. Và tôi đã thực sự may mắn khi đón Tổng thống Obama đến thăm phòng thí nghiệm của mình năm nay trong chuyến thăm của ngài đến MIT, và tôi thực sự muốn đưa ông ấy 1 bảng tuần hoàn. Tôi đã thức đến tận khuya, và nói chuyện với chồng mình, "Làm sao em có thể đưa cho Tổng thống Obama 1 bảng tuần hoàn đây? Sẽ ra sao nếu ông nói, 'Oh, tôi đã có 1 cái rồi,' hay, 'Tôi đã thuộc nó rồi'?"
(Laughter)
Và rồi ông đến thăm phòng thí nghiệm của tôi
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."
và xem xét xung quanh -- đó thực sự là 1 chuyến thăm tuyệt vời. Và rồi, tôi nói, "Thưa ngài, tôi muốn đưa cho ngài 1 bảng tuần hoàn phòng khi ngài gặp chuyện phiền phức và cần tính trọng lượng của phân tử."
(Laughter)
Và tôi đã nghĩ "trọng lượng phân tử" nghe có vẻ ít kì quặc
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
hơn là "khối lượng phân tử gam".
(Laughter)
Và rồi ông ấy nhìn nó,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
và nói, "Cảm ơn. Tôi sẽ xem nó 1 cách định kỳ."
(Laughter)
(Tiếng cười)
(Applause)
(Vỗ tay)
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 ...
Sau đó trong giờ thuyết trình về năng lượng sạch, ông đã lấy nó ra và nói, "Và những người ở MIT, họ phân phối những bảng tuần hoàn."
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.
Về cơ bản, điều mà tôi chưa nói với bạn là khoảng 500 triệu năm trước, những sinh vật bắt đầu tạo nên vật chất, nhưng mất đến 50 triệu năm để có thể làm tốt được nó. Và chúng đã mất khoảng 50 triệu năm để học cách làm sao để tạo ra cái vỏ bào ngư 1 cách hoàn hảo. Và đề tài này hơi khó "bán" cho các nghiên cứu sinh. "Tôi có 1 dự án tuyệt vời -- 50 triệu năm." Và chúng ta buộc phải phát triển cách nào đó để làm việc này nhanh hơn. Chúng tôi sử dụng những vi rút không độc tên là M13 có chức năng nhiễm vào vi khuẩn. Và nó có 1 cấu trúc DNA rất đơn giản cho phép bạn thâm nhập để cắt và dán thêm những chuỗi DNA bổ sung. Bằng cách này, nó cho phép vi rút phiên mã các chuỗi protêin bất kì.
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.
Đó chỉ là công nghệ sinh học rất đơn giản mà thôi. Và về cơ bản, bạn có thể làm việc đó cả tỷ lần. Bạn có thể thâm nhập và có hàng tỉ các vi rút khác loại nhưng đều giống nhau về mặt di truyền, chỉ khác nhau ở ở 1 chuỗi DNA mã hóa cho 1 protêin. Giờ, nếu bạn lấy tất cả 1 tỉ vi rút đó, và đặt chúng trong 1 giọt chất lỏng, bạn có thể bắt chúng tương tác với bất kì thứ gì bạn muốn trong bảng tuần hoàn. Dựa trên quá trình của sự tiến hóa chọn lọc này, bạn có thể làm được điều gì đó bạn muốn, như là "trồng" pin hay các pin năng lượng mặt trời. Thực ra vi rút không thể tái tạo chính mình, chúng cần 1 vật chủ.
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.
Một khi bạn đã tìm ra 1 trong số một tỷ đó, bạn có thể gây nhiễm nó vào 1 vi khuẩn, và tạo ra hàng triệu hay hàng tỉ phiên bản của chuỗi đặc biệt đó. Vậy điều tuyệt vời khác về sinh học là sinh học mang đến cho bạn những cấu trúc thực sự tinh tế với những mạng lưới tuyệt vời. Và với những vi rút dài và nhỏ này, chúng ta có thể khiến chúng thể hiện khả năng "trồng" thứ gì đó như là chất bán dẫn hay nguyên liệu cho pin.
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.
Và đây là 1 cục pin năng lượng lớn mà chúng tôi đã trồng trong phòng thí nghiệm. Chúng tôi đã thiết kế 1 con vi rút có thể thu được ống cacbon nano. Thực ra 1 phần trong con vi rút đó tóm được cái ống cacbon nano. Còn phần còn lại mang 1 chuỗi có khả năng trồng vật liệu điện cực cho 1 cục pin. Và sau đó nó tự kết nối với đầu thu. Vậy là thông qua quá trình tiến hóa có chọn lọc, chúng tôi đã đi từ 1 vi rút có khả năng tạo ra 1 cục pin không giá trị đến 1 vi rút có thể tạo ra 1 cục pin tốt rồi đến vi rút tạo ra những pin năng lượng cao và tất cả được tạo ra ở nhiệt độ phòng, về cơ bản là ngay trên mặt bàn thí nghiệm. Và cục pin này đã tới Nhà Trắng trong 1 buổi họp báo, chính tôi đã mang nó tới. Bạn có thể nhìn thấy -- nó đang chiếu sáng cái đèn LED này. Và nếu chúng ta có thể đo tỉ lệ nó, chúng ta thực sự có thể dùng nó để chạy Prius của bạn, đó chính là ước mơ của tôi -- có thể lái 1 chiếc xe lấy năng lượng từ vi rút.
(Laughter)
Về cơ bản,
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.
bạn có thể lấy 1 trong số 1 tỉ, rồi khuyếch đại lên. Bạn có thể khuếch đại nó ở trong phòng thí nghiệm. Rồi để nó tự "lắp ráp" thành những cấu trúc như 1 cục pin. Chúng tôi có khả năng làm việc đó với chất xúc tác. Đây là ví dụ của phương pháp tách nước bằng phương pháp quang xúc tác (photocatalytic). Và chúng tôi đã có thể thiết kế 1 con vi rút để lấy các phân tử hấp thụ ánh sáng rồi xếp chúng trên bề mặt của vi rút và biến nó thành 1 cái ăng ten, và bạn có thể vận chuyển năng lượng thông qua vi rút. Sau đó chúng tôi cho nó gen thứ 2 để trồng 1 hợp chất vô cơ có thể sử dụng để tách nước thành oxy và hydro, hay có thể dùng trong nhiên liệu sạch. Tôi mang ví dụ này tới đây. Và những sinh viên của tôi hứa chắc rằng nó sẽ hoạt động. Đây là những dây nano lắp ráp bởi vi rút. Khi bạn chiếu sáng chúng, bạn có thể thấy chúng nổi bong bóng. Trong trường hợp này, bạn có thể thấy những bọt khí oxy nổi lên.
(Applause)
Và bằng cách kiểm soát gen,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
bạn có thể kiểm soát nhiều vật liệu khác nhau để cải tiến hiệu suất của thiết bị. Và ví dụ cuối cùng là những pin sử dụng năng lượng mặt trời.
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.
Bạn có thể làm điều này với chúng. Chúng tôi đã thiết kế các vi rút có thể thu được các ống cacbon nano và sau đó trồng Ti02 xung quanh chúng -- và sử dụng cách này để thu điện tử dựa vào các thiết bị. Và chúng tôi nhận ra rằng, thông qua các ứng dụng của liệu pháp di truyền, chúng tôi thực sự có thể tăng hiệu suất của các pin mặt trời này để lưu lại các con số cho các hệ thống nhạy sáng kiểu này. Và tôi cũng mang tới đây 1 trong số chúng để bạn xem chơi sau bài nói này. Đây chính là 1 cục pin mặt trời lấy gốc từ vi rút. Thông qua sự tiến hóa và chọn lọc, chúng ta có thể tăng hiệu suất của pin mặt trời từ 8% lên tới 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.
Và tôi mong rằng tôi đã có thể thuyết phục bạn rằng có rất nhiều điều thú vị và tuyệt vời cần học hỏi về cách mà tự nhiên tạo ra vật chất -- và tiến tới bước tiếp theo để xem liệu bạn có thể thúc đẩy, hay lợi dụng việc này, để tạo ra những thứ mà tự nhiên chưa từng mơ tới.
Thank you.
Cảm ơn các bạn.
(Applause)