Angela Belcher 談利用大自然製造電池

Angela Belcher: Using nature to grow batteries

以鮑魚殼為靈感,Angela Belcher計畫利用病毒製造人類可以使用的美妙奈米結構。藉由選擇高功能性基因進行定向演化,她生產出可以製造高性能新型電池、潔淨氫燃料和破紀錄太陽能電池的病毒。在TEDxCaltech中,她展示了病毒電池的運作方式。

講者介紹

Angela Belcher

Angela Belcher在大自然中尋找如何利用病毒製造非凡新材料的靈感。

擁有創意研究學學士和無機化學博士頭銜的Angela Belcher,在解決能源問題方面獲得令人驚訝且創新的成果。 身為麻省理工學院生物分子材料團隊領導者,Belcher結合了材料化學、電子工程和分子生物學領域的研究,設計出能製造電池和潔淨能源的病毒。身為麥克阿瑟獎得主的她,還創立了Cambrios Technologies科技公司,這是一間以劍橋為基地的新創公司,專注於將她的研究成果應用在自然生物系統上,以製造及組裝電子、磁性及其他商業上重要的材料。2007年,《時代雜誌》將她譽為氣候變化英雄。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Angela Belcher 談利用大自然製造電池

  • 我想我會講一些大自然製造材料的方式,我帶來一個鮑魚殼,這鮑魚殼是一種生物複合材料,其重量的98%是碳酸鈣,2%是蛋白質,然而,它的硬度為其地質相對成份的3000倍,很多人可能使用過類似鮑魚殼的結構,像粉筆。我一直對大自然製造材料的方式很著迷,經過很多程序,它們完成如此精密的工程。其中一部份是,這些材料的結構肉眼可見,但它們的形成是奈米級的,它們以奈米的層級形成,而他們使用基因層級編碼的蛋白質,使它們能夠建造這些相當精密的結構。

    我認為非常迷人的是,如果你能給予非生物結構生命,像是電池和太陽能電池?如果他們有一些,如同一個鮑魚殼建立相當精密結構時表現出的功能,在常溫和常壓下,採用無毒化學藥品,且不會使有毒物質回歸到環境中?這是我一直在思考的美好遠景。如果能在培養皿中培養出電池呢?或者,如果能將遺傳訊息傳給電池,因此,它確實會隨著時間而變得更好,且使用一種對環境友善的方式?

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  • 因此,回到鮑魚殼上面。除了奈米結構,還有一件事很迷人,就是當一隻雄鮑和雌鮑結合在一起,牠們會傳遞遺傳訊息,內容是,「這是製造精密材料的方法,這是在常溫常壓下使用無毒材料製造的方法。」矽藻也是一樣,即圖上發光的東西,這是玻璃狀結構,每當矽藻進行複製時,就會傳遞像這樣的遺傳訊息,「這是在海中建造完美奈米結構玻璃的方法,你可以一次又一次地用同樣方法進行。」所以,如果可以在太陽能電池或電池上同樣這麼做呢?我得說,我最喜歡的生物材料是我四歲的孩子。

    但任何曾有過、或瞭解幼童的人都知道,他們是極其複雜的有機體。所以,如果你想說服他們做一些他們不想做的事是相當困難的。所以,當我們考量未來科技時,我們想到的就是使用細菌和病毒,簡單的有機體,你能說服它們使用一個新的工具箱,讓它們建立一個對我很重要的結構嗎?

    此外,我們考量到未來科技,我們從地球形成開始。基本上,經過十億年地球上才開始有生命存在,而非常迅速地,它們變成了多細胞有機體。它們可以複製,可以利用光合作用作為一種取得能量來源的方式,但直到大約五億年前,在寒武紀這個地質時期,海洋中的有機體開始製造硬質材料。在此之前,它們都是柔軟、蓬鬆的結構,而正是在這個時期,環境中的鈣、鐵和矽含量增加,有機體學習如何製造硬質材料,所以這就是我希望能夠做到的事,說服生物學跟週期表上其他元素合作。

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  • 現在,如果你審視生物學,有很多結構,如DNA和抗體,還有你聽說過的,那些已是奈米結構的蛋白質及核醣體。大自然已給予我們相當精密、納米層級的結構,如果我們能夠利用這些,說服它們不要成為像HIV病毒那樣作用的抗體?但如果我們能說服它們為我們製造一個太陽能電池呢?這裡有一些例子:這是一些天然貝殼。

    這些是天然生物材料,鮑魚殼在這裡,如果你把它弄碎,你可以看出它確實是奈米結構。這是由二氧化矽組成的矽藻,它們是磁感細菌,能製造用於導航的單磁區小磁鐵,它們全都有一個共同點,這些材料擁有納米層級的結構,它們有一個DNA序列,為一種蛋白質序列的編碼,它給予它們一個藍圖,使他們能夠建造這些相當神奇的結構。現在回到鮑魚殼上。鮑魚藉由這些蛋白質製造這個殼,這些蛋白質具有相當大的陰電性,可以吸附環境中的鈣,形成一層鈣、一層碳酸鹽,再形成一層鈣、一層碳酸鹽,它帶有氨基酸的化學序列,所帶的訊息是,「這是製造這種結構的方法,這是DNA序列,這是蛋白質序列,可用於製造這個結構。」一個有趣的想法是,如果你可以使用任何想要的材料,或週期表上任何元素,找出其相應的DNA序列以及其相應蛋白質序列的編碼,建立一個結構,但不是製造一個鮑魚殼,製造某種在自然狀態中一直沒機會湊在一起的東西。

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  • 這是週期表,我相當喜歡週期表,為了每年進入麻省理工學院的新生,我製作一個週期表,上面寫著,「歡迎來到麻省理工,現在你已適得其所。」將它翻個面,這是氨基酸,標上其帶不同電荷時的PH值,我將這給了數千人,我知道上面寫的是麻省理工學院,這裡是加州理工學院,但如果有人想要,我還有多的。我相當幸運,歐巴馬總統今年在拜訪麻省理工學院時,拜訪我的實驗室。我真想給他一張週期表,所以熬夜時,我跟丈夫說,「我給歐巴馬總統一張週期表如何?」如果他說,「噢,我已經有一張了,」或者,「我已經背起來了呢?」於是,他來我的實驗室參觀,環顧四周,這是個很棒的拜訪,參觀之後,我說,「長官,我想給你一張週期表,以防萬一你遇到麻煩,需要計算分子量。」我認為分子量聽起來不像莫耳質量那麼乏味。然後,他看著它說,「謝謝妳,我會週期性地看它。」(笑聲)(掌聲)後來,在一次介紹潔淨能源的演講中,他將它拿了出來,說,「麻省理工學院的人給了我週期表。」

    所以基本上,我沒告訴你們的是,大約在五億年前,有機體始祖開始製造材料,但它們大約花了五千萬年才得心應手,它們大約花了五千萬年,學習如何完美製造出這個鮑魚殼,你很難說服研究生說,「我有個偉大的計畫-得花五千萬年。」因此,我們必須開發一種方法,嘗試更迅速地做到這些。所以我們用一種病毒-無毒性的病毒,叫做M13噬菌體,它所做的是感染細菌,它有個簡單的DNA結構,你可以將它切下和接上額外的DNA序列,藉由這麼做,它可以讓病毒表現隨機的蛋白質序列。

    這是相當容易的生物技術。基本上,你可以這麼做十億次,這樣就可以得到十億種不同的病毒,它們在基因上完全一致,但彼此末端一段蛋白質序列編碼不同。現在,如果你取出這十億個病毒,將它們放進一滴液體中,你可以迫使它們與任何週期表上你想要的元素反應,並透過選擇性演化過程,在十億個中取出一個,進行你想要它做的事,像是生長電池或太陽能電池。

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  • 所以基本上病毒無法自我複製,它們需要一個宿主,一旦你從十億個當中找出它來,你用它來感染細菌,就能製造出億萬個這個特定序列的複製品。生物學另一種美妙之處,在於它能給你有著良好接合性且相當精密的生物結構。這些病毒長而細,我們可以讓它們表現一些能力,生長出某種如半導體或電池材料的東西。

    這是我實驗室中生長出的高出力電池,我們製造出一個能撐住碳奈米管的病毒,因此這個病毒的一部份抓住碳奈米管,病毒的另一部分有一段序列,能抓住電池的電極材料,然後將自己交纏到集電電極處。因此,藉由選擇演化的過程,我們由一開始製造出差勁電池的病毒,進行到能製造出良好電池的病毒,再進行到能製造出破紀錄高出力電池的病毒,一切都在常溫下進行,基本上是在實驗台上。這個電池被送去白宮參加記者會,我把它帶到這裡來,你可以看到,在這個範例中-它讓這個LED發光。現在,如果我們能改變它的規格,你可以實際將它用在你的Prius車上,這是我的夢想-能開一輛病毒動力車。

    但基本上,你可以在十億個病毒當中挑出一個,你可以讓它大量擴增,基本上,你可以在實驗室裡進行擴增,你可以讓它自我聚合,變成一個類似電池的結構,我們可以使用催化反應做到這一點。這是個例子,藉由光催化分解水,我們已經能夠做到,基本上,讓一個病毒吸附染料吸收分子,讓它們排列在病毒表面,它會有類似天線的用途,讓能量傳遞到病毒,然後,我們給它第二個基因,來生長一種無機材料,用於將水分解成氧和氫,因此可用於製造潔淨燃料。我今天帶來一個範例,我的學生保證它會產生反應。這是病毒聚合而成的奈米線圈,當你用光照射時,可以看到它們冒泡。在這個範例中,冒出的是氧氣氣泡,它基本上是由基因控制,你可以控制多種材料,來提高設備性能。

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  • 最後一個例子是太陽能電池,你也可以用這個做太陽能電池,我們已經能夠讓病毒撐起碳奈米管,然後讓它們周圍長出二氧化鈦。基本上,藉此方式讓電子穿越這個裝置。現在我們發現的是,藉由基因工程,我們事實上可以增加這些太陽能電池的效能,刷新數種這類型染料敏化系統的紀錄。我也帶來了其中一種,你們可以演講後在外面玩玩看。因此,這是一種以病毒為基礎的太陽能電池,藉由演化和選擇,我們將效能為百分之八的太陽能電池,提升為擁有百分之十一效能的太陽能電池。

    因此,我希望能說服你們,在大自然如何製造材料方面,有許多偉大、有趣的東西需要學習,並進行到下個階段,看看你是否能克服障礙,或利用大自然製造材料的方法,製造出大自然意想不到的東西。

    謝謝。

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