Angela Belcher : Utiliser la nature pour faire pousser des batteries
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0:00 - 0:03J'ai pensé vous parler un peu de la façon dont la nature crée des matériaux.
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0:03 - 0:05J'ai apporté avec moi une coquille d'ormeau.
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0:05 - 0:08Cette coquille d'ormeau est un matériau biocomposite
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0:08 - 0:11c'est 98 % en masse de carbonate de calcium
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0:11 - 0:13et 2% en masse de protéines.
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0:13 - 0:15Pourtant, elle est 3 000 fois plus résistante
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0:15 - 0:17que son homologue géologique.
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0:17 - 0:20Et beaucoup de gens peuvent utiliser des structures comme les coquilles d'ormeau,
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0:20 - 0:22comme de la craie.
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0:22 - 0:24Je suis fascinée par la façon dont la nature crée des matériaux,
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0:24 - 0:26et il y a beaucoup de séquence
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0:26 - 0:28dans la façon dont ils font un travail délicat.
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0:28 - 0:30C'est en partie parce que ces matériaux
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0:30 - 0:32ont des structures macroscopiques,
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0:32 - 0:34mais ils sont formés à l'échelle nanométrique.
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0:34 - 0:36Ils sont formés à l'échelle nanométrique,
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0:36 - 0:39et ils utilisent des protéines qui sont codées au niveau génétique
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0:39 - 0:42qui leur permettent de construire ces structures vraiment délicates.
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0:42 - 0:44Donc, je pense que c'est vraiment fascinant
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0:44 - 0:47de se demander si on pourrait donner vie
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0:47 - 0:49à des structures inertes,
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0:49 - 0:51comme les piles et comme les cellules photovoltaïques.
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0:51 - 0:53Et si elles avaient quelques-unes des capacités
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0:53 - 0:55d'une coquille d'ormeau,
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0:55 - 0:57en termes de capacité
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0:57 - 0:59à construire des structures vraiment délicates
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0:59 - 1:01à température et pression ambiantes,
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1:01 - 1:03en utilisant des produits chimiques non-toxiques
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1:03 - 1:06et en ne rejetant aucune matière toxique dans l'environnement?
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1:06 - 1:09Voilà donc la vision à laquelle j'ai réfléchi.
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1:09 - 1:11Et donc si on pouvait faire pousser une batterie dans une boîte de Petri?
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1:11 - 1:14Ou, si on pouvait donner des informations génétiques à une batterie
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1:14 - 1:16afin qu'elle puisse effectivement devenir meilleure
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1:16 - 1:18en fonction du temps,
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1:18 - 1:20et le faire d'une manière respectueuse de l'environnement?
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1:20 - 1:23Et donc, pour revenir à cette coquille d'ormeau,
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1:23 - 1:25en plus d'être nano-structurée,
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1:25 - 1:27une chose fascinante,
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1:27 - 1:29c'est quand un mâle et une femelle ormeau se réunissent,
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1:29 - 1:31ils transmettent les informations génétiques
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1:31 - 1:34qui disent: "Voilà comment construire un matériau délicat.
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1:34 - 1:36Voici comment le faire à température et pression ambiantes,
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1:36 - 1:38en utilisant des matériaux non-toxiques. "
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1:38 - 1:41Même avec des diatomées, qu'on voit ici, qui sont des structures de verre.
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1:41 - 1:43Chaque fois que les diatomées se répliquent,
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1:43 - 1:45elles donnent des informations génétiques qui disent:
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1:45 - 1:47"Voici comment construire du verre dans l'océan
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1:47 - 1:49qui soit parfaitement nano-structuré.
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1:49 - 1:51Et vous pouvez le refaire, encore et encore. "
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1:51 - 1:53Alors, si l'on pouvait faire la même chose
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1:53 - 1:55avec une cellule phovoltaïque ou une batterie?
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1:55 - 1:58Je tiens à dire mon biomatériau préféré est mon enfant de quatre ans.
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1:58 - 2:01Mais quiconque a déjà eu, ou connait, de jeunes enfants
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2:01 - 2:04sait qu'ils sont des organismes incroyablement complexes.
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2:04 - 2:06Et si vous voulez les convaincre
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2:06 - 2:08de faire quelque chose qu'ils ne veulent pas faire, c'est très difficile.
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2:08 - 2:11Donc, quand on pense aux technologies de l'avenir,
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2:11 - 2:13nous pensons en fait à utiliser des bactéries et des virus,
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2:13 - 2:15des organismes simples.
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2:15 - 2:17Peut-on les convaincre de travailler avec une nouvelle boîte à outils,
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2:17 - 2:19afin qu'ils puissent construire une structure
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2:19 - 2:21qui sera importante pour moi?
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2:21 - 2:23En outre, nous réfléchissons aux technologies de l'avenir.
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2:23 - 2:25Nous commençons par l'origine de la Terre.
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2:25 - 2:27En gros, il a fallu un milliard d'années
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2:27 - 2:29pour qu'il y ait de la vie sur Terre.
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2:29 - 2:31Et très rapidement, les êtres vivants sont devenus multi-cellulaires,
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2:31 - 2:34ils ont pu se répliquer, utiliser la photosynthèse
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2:34 - 2:36comme un moyen de récupérer leur source d'énergie.
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2:36 - 2:38Mais il y a seulement environ 500 millions d'années -
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2:38 - 2:40au cours de la période cambrienne -
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2:40 - 2:43que les organismes dans l'océan ont commencé à créer des matériaux durs.
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2:43 - 2:46Avant cela, c'étaient des structures toutes molles, moelleuses.
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2:46 - 2:48Et c'est pendant cette période
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2:48 - 2:50qu'il y a eu plus de calcium et de fer
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2:50 - 2:52et de silicium dans l'environnement.
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2:52 - 2:55Et les organismes ont appris à faire des matériaux durs.
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2:55 - 2:57Et c'est ce que je voudrais être en mesure de le faire -
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2:57 - 2:59convaincre la biologie
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2:59 - 3:01de travailler avec le reste du tableau périodique.
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3:01 - 3:03Maintenant, si vous regardez la biologie,
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3:03 - 3:05il y a de nombreuses structures comme l'ADN et les anticorps
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3:05 - 3:07et les protéines et les ribosomes dont vous avez entendu parler
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3:07 - 3:09qui sont déjà nano-structurés.
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3:09 - 3:11Donc la nature nous donne déjà
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3:11 - 3:13des structures vraiment délicates à l'échelle nanométrique.
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3:13 - 3:15Et si nous pouvions les mettre à profit
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3:15 - 3:17et les convaincre de ne pas être un anticorps
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3:17 - 3:19qui fasse quelque chose comme le VIH?
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3:19 - 3:21Mais si on pouvait les convaincre
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3:21 - 3:23de construire une cellule photovoltaïque pour nous?
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3:23 - 3:25Alors voici quelques exemples: ce sont quelques coquilles naturelles.
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3:25 - 3:27Il existe des matériaux naturels biologiques.
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3:27 - 3:29La coquille d'ormeau ici - et si vous la fracturez,
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3:29 - 3:31vous pouvez voir le fait que c'est nano-structuré.
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3:31 - 3:34Il y a des diatomées fabriquées à partir de SiO2,
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3:34 - 3:36et ce sont des bactéries magnétotactiques
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3:36 - 3:39qui font de petits aimants à domaine unique utilisés pour la navigation.
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3:39 - 3:41Ce qu'ils ont tous en commun
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3:41 - 3:43c'est que ces matériaux sont structurés à l'échelle nanométrique,
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3:43 - 3:45et qu'ils ont une séquence d'ADN
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3:45 - 3:47qui code une séquence protéique,
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3:47 - 3:49qui leur donne le plan
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3:49 - 3:51pour qu'ils puissent construire ces structures vraiment merveilleuses.
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3:51 - 3:53Maintenant, pour revenir à la coquille d'ormeau,
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3:53 - 3:56l'ormeau fait cette coquille grâce à ces protéines.
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3:56 - 3:58Ces protéines sont très chargées négativement.
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3:58 - 4:00Et elles peuvent tirer du calcium de l'environnement,
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4:00 - 4:03appliquer une couche de calcium, puis du carbonate, du calcium et du carbonate.
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4:03 - 4:06Il a les séquences chimiques des acides aminés
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4:06 - 4:08qui disent: "C'est comme ça qu'on construit la structure.
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4:08 - 4:10Voici la séquence d'ADN, voici la séquence de la protéine
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4:10 - 4:12pour le faire. "
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4:12 - 4:15Et donc une idée intéressante est, si vous pouviez prendre n'importe quel matériau,
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4:15 - 4:17ou tout autre élément du tableau périodique,
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4:17 - 4:20et trouver sa séquence d'ADN correspondante,
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4:20 - 4:22et puis le coder en une séquence de protéine correspondante
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4:22 - 4:25pour construire une structure, mais pas une coquille d'ormeau -
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4:25 - 4:27construire quelque chose avec quoi, parmi toute la nature,
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4:27 - 4:30il n'a jamais encore eu l'occasion de travailler .
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4:30 - 4:32Et voici donc le tableau périodique.
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4:32 - 4:34Et j'adore vraiment le tableau périodique.
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4:34 - 4:37Chaque année pour la classe de première année entrant au MIT,
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4:37 - 4:39je fais un tableau périodique qui dit:
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4:39 - 4:42"Bienvenue au MIT. Maintenant vous êtes dans votre élément."
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4:42 - 4:45Et vous le retournez, et c'est les acides aminés
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4:45 - 4:47avec le PH auquel ils ont des charges différentes.
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4:47 - 4:50Et donc je le donne à des milliers de personnes.
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4:50 - 4:52Et je sais qu'il y a écrit MIT, et ici c'est Caltech,
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4:52 - 4:54mais j'en ai quelques-uns en plus si quelqu'un en veut.
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4:54 - 4:56Et j'ai vraiment eu de la chance
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4:56 - 4:58que le président Obama visite mon laboratoire cette année
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4:58 - 5:00lors de sa visite au MIT,
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5:00 - 5:02et je voulais vraiment lui donner un tableau périodique.
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5:02 - 5:04J'ai donc veillé tard, et j'ai parlé à mon mari,
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5:04 - 5:07"Comment puis-je donner au président Obama un tableau périodique?
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5:07 - 5:09Que faire s'il dit, 'Oh, j'en ai déjà un, '
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5:09 - 5:11ou, 'je l'ai déjà mémorisé ?"
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5:11 - 5:13Et il est venu visiter mon laboratoire
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5:13 - 5:15et il a regardé autour de lui - ce fut une excellente visite.
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5:15 - 5:17Et puis après, j'ai dit,
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5:17 - 5:19"Monsieur, je veux vous donner le tableau périodique
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5:19 - 5:23pour le jour où vous seriez dans une impasse et devriez calculer un poids moléculaire. "
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5:23 - 5:25Et j'ai pensé que poids moléculaire sonnait beaucoup moins ringard
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5:25 - 5:27que masse molaire.
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5:27 - 5:29Et il l'a regardé,
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5:29 - 5:31Et il a dit:
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5:31 - 5:33"Je vous remercie. Je vais le regarder périodiquement."
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5:33 - 5:35(Rires)
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5:35 - 5:39(Applaudissements)
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5:39 - 5:42Et plus tard dans une conférence qu'il a donnée sur l'énergie propre,
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5:42 - 5:44il l'a sorti et a dit:
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5:44 - 5:46"Et les gens au MIT, ils donnent des tableaux périodiques".
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5:46 - 5:49Donc, en gros, ce que je ne vous ai pas dit
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5:49 - 5:52c'est qu'il y a près de 500 millions d'années, les organismes ont commencé à fabriquer des matériaux,
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5:52 - 5:54mais il leur a fallu environ 50 millions d'années pour devenir bons.
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5:54 - 5:56Il leur a fallu environ 50 millions d'années
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5:56 - 5:58pour apprendre à parfaire la manière de faire cette coquille d'ormeau.
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5:58 - 6:00Et c'est difficile à vendre à un étudiant diplômé.
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6:00 - 6:03"J'ai ce grand projet -. 50 millions d'années"
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6:03 - 6:05Et nous avons donc dû développer une façon
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6:05 - 6:07d'essayer de le faire plus rapidement.
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6:07 - 6:09Et donc nous utilisons un virus qui est un virus non-toxique
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6:09 - 6:11appelé bactériophage M13
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6:11 - 6:13dont c'est le travail d'infecter les bactéries.
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6:13 - 6:15Eh bien, il a une structure ADN simple
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6:15 - 6:17que vous pouvez couper et y coller
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6:17 - 6:19des séquences d'ADN supplémentaires.
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6:19 - 6:21Et ce faisant, il permet au virus
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6:21 - 6:24d'exprimer des séquences de protéines aléatoires.
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6:24 - 6:26Et cela est de la biotechnologie assez facile .
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6:26 - 6:28Et vous pourriez le faire en gros un milliard de fois.
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6:28 - 6:30Et donc vous pouvez obtenir un milliard de virus différents
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6:30 - 6:32qui sont tous génétiquement identiques,
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6:32 - 6:34mais ils diffèrent les uns des autres en fonction de leurs terminaisons,
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6:34 - 6:36sur une séquence
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6:36 - 6:38qui code une protéine.
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6:38 - 6:40Maintenant si vous prenez tous les milliards de virus,
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6:40 - 6:42et vous pouvez les mettre dans une goutte de liquide,
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6:42 - 6:45vous pouvez les forcer à interagir avec tout ce que vous voulez sur le tableau périodique.
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6:45 - 6:47Et à travers un processus d'évolution de sélection,
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6:47 - 6:50vous pouvez en tirer un sur un milliard qui fait quelque chose que vous aimeriez qu'il fasse,
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6:50 - 6:52comme de cultiver une batterie ou développer une cellule photovoltaïque.
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6:52 - 6:55Donc, en gros, les virus ne peuvent pas se reproduire, ils ont besoin d'un hôte.
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6:55 - 6:57Une fois que vous trouvez celui sur un milliard,
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6:57 - 6:59vous en infectez une bactérie,
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6:59 - 7:01et vous faites des millions et des milliards de copies
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7:01 - 7:03de cette séquence particulière.
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7:03 - 7:05Et ce qu'il y a aussi de beau dans la biologie
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7:05 - 7:07c'est que la biologie vous donne des structures vraiment délicates
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7:07 - 7:09avec de belles échelles de connexion.
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7:09 - 7:11Et ces virus sont longs et maigres,
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7:11 - 7:13et nous pouvons les amener à exprimer la capacité
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7:13 - 7:15à développer quelque chose comme les semi-conducteurs
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7:15 - 7:17ou des matériaux pour les batteries.
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7:17 - 7:20Maintenant, voici d'une batterie haute puissance que nous avons développée dans mon laboratoire.
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7:20 - 7:23Nous avons conçu un virus pour ramasser des nanotubes de carbone.
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7:23 - 7:25Donc, une partie du virus attrape un nanotube de carbone.
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7:25 - 7:27L'autre partie du virus a une séquence
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7:27 - 7:30qui peut développer un matériau d'électrode pour une batterie.
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7:30 - 7:33Et puis il se connecte lui-même au courant collecteur.
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7:33 - 7:35Et donc à travers un processus d'évolution de sélection,
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7:35 - 7:38nous sommes passés d'un virus qui créait une batterie minable
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7:38 - 7:40à un virus qui fait une bonne batterie
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7:40 - 7:43à un virus qui a fait une batterie de forte puissance qui bat des records
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7:43 - 7:46le tout, fait à température ambiante, essentiellement sur la paillasse.
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7:46 - 7:49Et cette batterie est allée à la Maison Blanche pour une conférence de presse.
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7:49 - 7:51Je l'ai amenée ici.
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7:51 - 7:54Vous pouvez le voir dans cette boite - elle éclaire ce LED.
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7:54 - 7:56Maintenant, si nous pouvions en augmenter l'échelle,
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7:56 - 7:58vous pourriez effectivement l'utiliser
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7:58 - 8:00pour faire fonctionner votre Prius,
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8:00 - 8:03ce qui est mon rêve - pouvoir conduire une voiture à propulsion virus.
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8:04 - 8:06Mais il s'agit essentiellement -
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8:06 - 8:09vous pouvez tirer un sur un milliard.
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8:09 - 8:11Vous pouvez l'amplifier beaucoup
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8:11 - 8:13En gros, vous faites une amplification dans le laboratoire.
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8:13 - 8:15Et puis, vous le faites s'auto-assembler
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8:15 - 8:17en une structure semblable à une batterie.
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8:17 - 8:19Nous sommes en mesure de le faire aussi par catalyse.
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8:19 - 8:21C'est l'exemple
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8:21 - 8:23du fractionnement photocatalytique de l'eau.
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8:23 - 8:25Et ce que nous avons pu faire
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8:25 - 8:28c'est concevoir un virus pour qu'il prenne des molécules qui absorbent les colorants
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8:28 - 8:30et les aligne sur la surface du virus
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8:30 - 8:32pour qu'il agisse comme une antenne,
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8:32 - 8:34et vous obtenez un transfert d'énergie à travers le virus.
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8:34 - 8:36Et puis on lui donne un second gène
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8:36 - 8:38pour développer un matériau inorganique
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8:38 - 8:40qui puisse être utilisé pour décomposer l'eau
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8:40 - 8:42en oxygène et en hydrogène,
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8:42 - 8:44qui puisse être utilisé pour des carburants propres.
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8:44 - 8:46Et j'en ai apporté avec moi un exemple aujourd'hui.
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8:46 - 8:48Mes étudiants m'ont promis que ça marcherait.
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8:48 - 8:50Ce sont des nanofils assemblés par des virus.
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8:50 - 8:53Lorsque vous les mettez sous la lumière, vous les voyez faire des bulles.
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8:53 - 8:56Dans le cas présent, vous voyez des bulles d'oxygène sortir..
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8:57 - 9:00Et dans le fond en contrôlant les gènes,
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9:00 - 9:03vous pouvez contrôler des matériaux multiples pour améliorer les performances de votre appareil.
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9:03 - 9:05Le dernier exemple sont des cellules photovoltaïques.
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9:05 - 9:07Vous pouvez aussi le faire avec des cellules photovoltaïques.
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9:07 - 9:09Nous avons été en mesure de concevoir des virus
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9:09 - 9:11pour ramasser des nanotubes de carbone
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9:11 - 9:15et ensuite générer du dioxyde de titane autour -
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9:15 - 9:19et les utiliser pour obtenir des électrons à travers le dispositif.
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9:19 - 9:21Et ce que nous avons constaté c'est que, grâce au génie génétique,
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9:21 - 9:23on peut vraiment augmenter
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9:23 - 9:26l'efficacité de ces cellules photovoltaïques
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9:26 - 9:28pour enregistrer les chiffres
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9:28 - 9:31pour ces types de systèmes sensibles aux colorants.
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9:31 - 9:33Et j'en ai apporté un aussi
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9:33 - 9:36pour que vous puissiez jouer avec à l'extérieur par la suite.
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9:36 - 9:38Il s'agit donc d'une cellule photovoltaïque à base de virus.
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9:38 - 9:40Grâce à l'évolution et la sélection,
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9:40 - 9:43nous l'avons fait passer d'une cellule solaire à 8 % d'efficacité
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9:43 - 9:46à une cellule à 11 % d'efficacité.
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9:46 - 9:48J'espère donc que je vous ai convaincus
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9:48 - 9:51qu'il y a beaucoup de grandes choses intéressantes à apprendre
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9:51 - 9:53sur comment la nature crée les matériaux -
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9:53 - 9:55et en l'amenant à l'étape suivante
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9:55 - 9:57pour voir si on peut forcer,
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9:57 - 9:59ou si on peut profiter de la manière dont la nature crée les matériaux,
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9:59 - 10:02pour créer des choses que la nature n'a pas encore rêvé de créer.
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10:02 - 10:04Merci.
- Title:
- Angela Belcher : Utiliser la nature pour faire pousser des batteries
- Speaker:
- Angela Belcher
- Description:
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Inspirée par une coquille d'ormeau, Angela Belcher programme des virus pour créer d'élégantes structures nanométriques que les humains peuvent utiliser. En sélectionnant des gènes à haut rendement grâce à l'évolution dirigée, elle a produit des virus qui peuvent construire de nouvelles batteries puissantes, des carburants propres à base d'hydrogène et des batteries solaires qui battent les records. A TEDxCaltech, elle nous montre comment c'est fait.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 10:05