用自然来培育电池
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0:00 - 0:03我想我应该谈一谈自然是如何制造材料的。
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0:03 - 0:05我带来了一个鲍鱼壳。
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0:05 - 0:08这个鲍鱼壳是种生物复合材料,
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0:08 - 0:11其中百分之98是碳酸钙
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0:11 - 0:13百分之二是蛋白质。
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0:13 - 0:15然而,它比地质学中相对应的
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0:15 - 0:17物质要坚硬三千倍。
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0:17 - 0:20许多人或许用过类似鲍鱼壳这样的结构,
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0:20 - 0:22如粉笔。
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0:22 - 0:24如今我为自然创造材料的方法所深深着迷,
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0:24 - 0:26做到这样的精细活
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0:26 - 0:28过程极度保密。
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0:28 - 0:30这些材料在结构上
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0:30 - 0:32肉眼可见,
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0:32 - 0:34但是它们是由纳米级材料组成的。
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0:34 - 0:36它们是由纳米级材料组成的,
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0:36 - 0:39它们使用由基因层次控制的蛋白质,
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0:39 - 0:42这使得它们能构建非常精致的结构。
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0:42 - 0:44因此,我觉得非常让人着迷的是
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0:44 - 0:47如果能赋予非生物结构
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0:47 - 0:49以生命会发生什么,
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0:49 - 0:51比如电池,比如太阳能电池?
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0:51 - 0:53如果它们能有一些鲍鱼壳所拥有的
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0:53 - 0:55同样的能力会怎样,
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0:55 - 0:57能够
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0:57 - 0:59在常温常压下
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0:59 - 1:01用无毒的化学物质,
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1:01 - 1:03不添加对环境有害的材料
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1:03 - 1:06构建精致的结构。
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1:06 - 1:09这就是我曾想到过的愿景。
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1:09 - 1:11那么,如果你能在皮氏培养皿中培养出电池将会怎样?
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1:11 - 1:14或者说,如果你能把基因信息赋予一个电池,
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1:14 - 1:16以便确实能在一定时间内
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1:16 - 1:18变得更好,
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1:18 - 1:20并以一种环境友好的方式进行时会怎样?
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1:20 - 1:23回到这个鲍鱼壳,
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1:23 - 1:25除了存在纳米结构之外,
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1:25 - 1:27令人着迷的一件事是,
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1:27 - 1:29当一只雄性鲍鱼和磁性鲍鱼相遇,
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1:29 - 1:31他们相互传递基因信息
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1:31 - 1:34信息中表明,“这是如何构建一个精巧的材料。
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1:34 - 1:36这就是如何在常温常压下,用无毒材料
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1:36 - 1:38做到这些的。”
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1:38 - 1:41与硅藻相同,有着光泽,有着玻璃状结构。
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1:41 - 1:43每次硅藻复制时,
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1:43 - 1:45它们给出基因信息,其中表明,
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1:45 - 1:47“这就是如何在海洋中
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1:47 - 1:49有完美纳米结构的玻璃。
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1:49 - 1:51你能同样进行,并不断重复。”
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1:51 - 1:53那么如果你能用太阳能电池或
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1:53 - 1:55电池做同样的事会怎样?
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1:55 - 1:58我想说我最喜欢的生物材料是我四岁的孩子。
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1:58 - 2:01但任何曾有过或了解小孩的人
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2:01 - 2:04都知道他们是多么复杂的生物体。
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2:04 - 2:06因此,说服他们去
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2:06 - 2:08做他们不想做的事,非常困难。
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2:08 - 2:11当我们思考未来科技时,
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2:11 - 2:13我们会想到细菌和病毒的应用,
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2:13 - 2:15简单的有机体。
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2:15 - 2:17你能让它们使用新的工具箱吗,
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2:17 - 2:19以使它们能构建一种
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2:19 - 2:21对我来说很重要的结构么?
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2:21 - 2:23同样地,我们对未来科技进行思考。
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2:23 - 2:25我们从地球最初开始,
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2:25 - 2:27基本上,用了十亿年
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2:27 - 2:29地球上才开始出现生命。
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2:29 - 2:31接着很快地就进化成了多细胞生命,
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2:31 - 2:34它们能够复制自己,能用光合作用
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2:34 - 2:36作为获取能源的一种方式。
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2:36 - 2:38但知道500万年前 --
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2:38 - 2:40在寒武纪地质时代 --
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2:40 - 2:43海洋中的生物开始制造坚硬的材料。
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2:43 - 2:46之前它们制造的都是柔软蓬松的结构。
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2:46 - 2:48正是在这一时期内
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2:48 - 2:50环境中的钙、铁
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2:50 - 2:52硅的含量增加了。
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2:52 - 2:55生物学会了如何制作坚硬的材料。
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2:55 - 2:57所以我希望能够 --
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2:57 - 2:59确定生物
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2:59 - 3:01能与周期表中的其他元素工作。
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3:01 - 3:03现在,如果查看一下生物,
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3:03 - 3:05有许多类似DNA、抗体、
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3:05 - 3:07蛋白质和核糖体这样你曾听说过的结构,
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3:07 - 3:09这些结构以及是纳米结构了。
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3:09 - 3:11因此自然已经给予了我们
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3:11 - 3:13纳米级的非常精巧的结构。
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3:13 - 3:15如果我们控制它们
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3:15 - 3:17让他们不要变成像艾滋病病毒
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3:17 - 3:19这样的抗体将会怎样?
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3:19 - 3:21但如果我们能让它们为我们
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3:21 - 3:23建造太阳能电池将会怎样?
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3:23 - 3:25这儿有些例子:这是些天然的贝壳。
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3:25 - 3:27它们是天然的生物材料。
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3:27 - 3:29这个是鲍鱼壳 -- 如果折断它,
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3:29 - 3:31会看到它是纳米结构。
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3:31 - 3:34硅藻是由二氧化硅组成,
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3:34 - 3:36他们是趋磁细菌,
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3:36 - 3:39它们用微小的单极磁体导航。
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3:39 - 3:41这些事物的共同之处是
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3:41 - 3:43这些材料的结构都是纳米级的,
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3:43 - 3:45它们拥有一个DNA序列
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3:45 - 3:47这是一个蛋白质序列编码,
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3:47 - 3:49这给了它们一个蓝图
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3:49 - 3:51使它们能够构建这些奇妙的结构。
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3:51 - 3:53现在,回到鲍鱼壳,
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3:53 - 3:56鲍鱼用这些蛋白质做成壳。
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3:56 - 3:58这些蛋白质带有负电荷。
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3:58 - 4:00它们能吸收环境中的钙,
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4:00 - 4:03放上一层钙,然后是一层碳酸盐,再一层钙一层碳酸盐。
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4:03 - 4:06这是氨基酸的化学序列
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4:06 - 4:08其中表明,“这就是如何构建这种结构。
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4:08 - 4:10这是要做到这点的DNA序列,
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4:10 - 4:12蛋白质序列。”
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4:12 - 4:15一个有意思的想法是,如果你能选择任何材料或是
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4:15 - 4:17周期表中的任何元素,
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4:17 - 4:20依照DNA序列,
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4:20 - 4:22然后依照蛋白质序列
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4:22 - 4:25建立结构,但不是构建一个鲍鱼壳,将会怎样 --
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4:25 - 4:27通过自然构建某种事物,
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4:27 - 4:30这是从未有机会进行的尝试。
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4:30 - 4:32这是周期表。
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4:32 - 4:34我非常喜欢周期表。
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4:34 - 4:37在MIT,大一新生来的第一课,
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4:37 - 4:39我都会提供一个周期表,
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4:39 - 4:42“欢迎来到MIT。现在你进入你的元素了。”
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4:42 - 4:45把它翻过来,是带有PH值的氨基酸
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4:45 - 4:47不同的PH值下带有不同的电荷。
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4:47 - 4:50我把这个发给了数以千计的人。
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4:50 - 4:52我知道这上面写了MIT,写了加州理工,
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4:52 - 4:54但如果有人要的话我还有些额外的。
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4:54 - 4:56我非常荣幸的是,
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4:56 - 4:58奥巴马总统今年访问MIT时
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4:58 - 5:00造访了我的实验室,
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5:00 - 5:02我很想给他一张周期表。
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5:02 - 5:04我熬夜思索,对我的丈夫说
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5:04 - 5:07“我怎么才能给奥巴马总统一张周期表呢?
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5:07 - 5:09如果他说,‘哦,我已经有一张了’
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5:09 - 5:11或是‘我已经背下来了’该怎么办?”
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5:11 - 5:13因此他到访我的实验室
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5:13 - 5:15四处浏览 -- 这是个很棒的访问。
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5:15 - 5:17后来,我说,
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5:17 - 5:19“先生,我想给你张周期表
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5:19 - 5:23以备你陷入困境,需要计算分子量时使用。”
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5:23 - 5:25我觉得分子量听起来不像摩尔质量
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5:25 - 5:27那么呆板。
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5:27 - 5:29他看了看它,
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5:29 - 5:31说到,
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5:31 - 5:33“谢谢。我会定期看看它的。”
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5:33 - 5:35(笑声)
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5:35 - 5:39(掌声)
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5:39 - 5:42之后在一次关于清洁能源的演讲中,
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5:42 - 5:44他把它拿出来,说道,
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5:44 - 5:46“在MIT时有人给了我周期表。”
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5:46 - 5:49所以基本上我没有告诉各位的是
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5:49 - 5:52大约五亿年前,生物就开始制造材料,
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5:52 - 5:54大概花了五千万年变得擅长于此。
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5:54 - 5:56花了五千万年时间
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5:56 - 5:58学会了完美地制造出鲍鱼壳。
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5:58 - 6:00这对研究生来说很难理解
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6:00 - 6:03“我拥有这个伟大的项目 -- 五千万年。”
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6:03 - 6:05因此我们不得不找出一种
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6:05 - 6:07更快速的方式来完成这些。
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6:07 - 6:09因此我们使用了一种病毒,
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6:09 - 6:11一种名为M13噬菌体的无毒病毒,
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6:11 - 6:13用它去感染细菌。
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6:13 - 6:15它有简单的DNA结构,
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6:15 - 6:17可以剪切、粘贴
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6:17 - 6:19附加的DNA序列到其中。
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6:19 - 6:21这样做后,它允许病毒
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6:21 - 6:24表达随机的蛋白质序列。
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6:24 - 6:26这是很简单的生物技术。
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6:26 - 6:28可以这么做个十亿次。
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6:28 - 6:30这样就能得到十亿个不同的病毒
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6:30 - 6:32它们具有相同的遗传基因,
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6:32 - 6:34但它们可以基于它们的标签相互区分,
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6:34 - 6:36为一个蛋白质
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6:36 - 6:38编码的序列。
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6:38 - 6:40现在,收集起所有这些病毒,
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6:40 - 6:42可以把它们放入一滴液体中,
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6:42 - 6:45可以强制它们与周期表中的任何元素交互。
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6:45 - 6:47通过一个选择性进化的过程,
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6:47 - 6:50可以从十亿中选出一个符合你期望的病毒,
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6:50 - 6:52比如长出一个电池或是一个太阳能电池。
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6:52 - 6:55所以,基本上,病毒不能复制自身,它们需要宿主。
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6:55 - 6:57一旦有亿万中的一个
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6:57 - 6:59感染了一个细菌,
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6:59 - 7:01就会产生不计其数的那种
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7:01 - 7:03特定序列的复制体。
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7:03 - 7:05生物学的另一个美妙之处是
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7:05 - 7:07生物学可以以一种良好的比例
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7:07 - 7:09呈现精致的结构。
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7:09 - 7:11这些病毒长且瘦,
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7:11 - 7:13我们能让它们表达生长出一些事物的能力
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7:13 - 7:15比如半导体
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7:15 - 7:17或是制作电池的材料。
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7:17 - 7:20这是我们在实验室培育的高能电池。
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7:20 - 7:23我们让病毒收集碳纳米管。
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7:23 - 7:25病毒的一部分抓住一个碳纳米管。
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7:25 - 7:27另一部分拥有一个
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7:27 - 7:30能长出电池的电极材料的序列。
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7:30 - 7:33然后它把自己缠绕成集电器。
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7:33 - 7:35然后通过一个选择性进化的过程,
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7:35 - 7:38我们就从一个制造低劣电池的病毒
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7:38 - 7:40得到了一个制造良好电池的病毒
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7:40 - 7:43一个制造破纪录的高能电池的病毒
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7:43 - 7:46这些都是在常温下,实验台上进行的。
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7:46 - 7:49那个电池去白宫参加过一次记者招待会。
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7:49 - 7:51我把它带到这里来了。
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7:51 - 7:54各位能在这个盒子里看到它 -- 亮着的是个LED等。
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7:54 - 7:56如果我们能放大这个,
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7:56 - 7:58就能用它来
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7:58 - 8:00驱动普瑞斯车,
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8:00 - 8:03这是我的梦想 -- 能驾驶一辆病毒驱动的汽车。
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8:04 - 8:06但基本上 --
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8:06 - 8:09能从十亿中选出一个。
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8:09 - 8:11能把它放大许多倍。
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8:11 - 8:13基本上,能在实验室进行放大。
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8:13 - 8:15然后让它自组装
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8:15 - 8:17成一个如电池这样的结构。
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8:17 - 8:19我们也能通过催化作用做到这些。
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8:19 - 8:21这是光触媒
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8:21 - 8:23分离水的例子。
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8:23 - 8:25我们已经能做到的是
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8:25 - 8:28设计一个病毒,能吸收染色分子
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8:28 - 8:30并把染色分子在病毒的表面排成一列,
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8:30 - 8:32就像个触须,
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8:32 - 8:34然后就能让能量转移穿过这些病毒了。
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8:34 - 8:36接着我们给它第二段基因
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8:36 - 8:38以生长出无机材料
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8:38 - 8:40这能用于把水分离成
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8:40 - 8:42氢气和氧气,
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8:42 - 8:44氢气和氧气能用作清洁燃料。
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8:44 - 8:46今天我带来了一个样本。
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8:46 - 8:48我的学生对我保证说它能运作。
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8:48 - 8:50这些是由病毒组装的纳米线。
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8:50 - 8:53当用光照向它们时,能看到他们在冒着泡泡。
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8:53 - 8:56这样的情况表明,所看到的是氧气正在冒出。
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8:57 - 9:00基本上通过控制基因
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9:00 - 9:03就能够控制多种材料来改进设备性能。
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9:03 - 9:05最后一个例子是太阳能电池。
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9:05 - 9:07也可以这样制造太阳能电池。
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9:07 - 9:09我们已经能够设计病毒
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9:09 - 9:11来收集碳纳米管
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9:11 - 9:15然后再外面附着上二氧化钛 --
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9:15 - 9:19并作为通过设备收集电子的一种方式。
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9:19 - 9:21我们的发现是,通过基因工程
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9:21 - 9:23我们能真正的增加
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9:23 - 9:26这些太阳能电池的效率
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9:26 - 9:28为各种类型的
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9:28 - 9:31染色敏化系统记录数字。
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9:31 - 9:33我也带了一个到这儿来
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9:33 - 9:36稍后各位可以在外面摆弄一下。
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9:36 - 9:38这是个基于病毒的太阳能电池。
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9:38 - 9:40通过进化和选择,
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9:40 - 9:43我们把这个太阳能电池由效能百分之八
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9:43 - 9:46变为了百分之十一。
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9:46 - 9:48我希望我已经让各位相信
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9:48 - 9:51关于如何让自然制作材料
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9:51 - 9:53有许多美好的、有趣的事情要学习--
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9:53 - 9:55更进一步
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9:55 - 9:57看看能否你能够推行,
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9:57 - 9:59或是利用自然制作材料的方式
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9:59 - 10:02来制作一些自然还未被要求制作的东西。
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10:02 - 10:04谢谢。
- Title:
- 用自然来培育电池
- Speaker:
- 安琪拉·贝尔彻
- Description:
-
受到鲍鱼壳的启发,安琪拉·贝尔彻用病毒来制造人类能使用的优雅的纳米结构。通过定向进化挑选出高性能基因,她生产出一种病毒,这种病毒能构筑强大的新的电池、清洁的氢燃料和破纪录的太阳能电池。在TEDxCaltech上,她向我们展示了她是如何做到这些的。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 10:05
Coco Shen edited Chinese, Simplified subtitles for Using nature to grow batteries | ||
Coco Shen edited Chinese, Simplified subtitles for Using nature to grow batteries | ||
Felix Chen added a translation |