Inżynieria molekularna - Molecular engineering

Inżynieria molekularna to rozwijająca się dziedzina badań zajmująca się projektowaniem i testowaniem właściwości, zachowań i interakcji molekularnych w celu montażu lepszych materiałów, systemów i procesów dla określonych funkcji. To podejście, w którym na obserwowalne właściwości układu makroskopowego wpływa bezpośrednia zmiana struktury molekularnej, należy do szerszej kategorii projektowania „oddolnego” .

Inżynieria molekularna zajmuje się pracami nad rozwojem materiałów w nowych technologiach, które wymagają rygorystycznych, racjonalnych podejść do projektowania molekularnego systemów o wysokiej złożoności.

Inżynieria molekularna ma charakter wysoce interdyscyplinarny i obejmuje aspekty inżynierii chemicznej , materiałoznawstwa , bioinżynierii , elektrotechniki , fizyki , inżynierii mechanicznej i chemii . Istnieje również znaczne pokrywanie się z nanotechnologią , ponieważ obie dotyczą zachowania materiałów w skali nanometrów lub mniejszej. Biorąc pod uwagę wysoce fundamentalną naturę oddziaływań molekularnych, istnieje mnóstwo potencjalnych obszarów zastosowań, ograniczonych być może jedynie wyobraźnią i prawami fizyki. Jednak niektóre z wczesnych sukcesów inżynierii molekularnej pojawiły się w dziedzinie immunoterapii, biologii syntetycznej i elektroniki drukowanej (patrz zastosowania inżynierii molekularnej ).

Inżynieria molekularna to dynamiczna i ewoluująca dziedzina ze złożonymi problemami docelowymi; przełomowe odkrycia wymagają wyrafinowanych i kreatywnych inżynierów, którzy są zaznajomieni z różnymi dyscyplinami. Racjonalna metodologia inżynierska oparta na zasadach molekularnych kontrastuje z szeroko rozpowszechnionymi metodami prób i błędów powszechnymi we wszystkich dyscyplinach inżynieryjnych. Zamiast polegać na dobrze opisanych, ale słabo zrozumianych korelacjach empirycznych między budową systemu a jego właściwościami, podejście projektowania molekularnego ma na celu bezpośrednie manipulowanie właściwościami systemu, wykorzystując zrozumienie ich chemicznego i fizycznego pochodzenia. To często prowadzi do powstania zupełnie nowych materiałów i systemów, które są niezbędne do zaspokojenia wyjątkowych potrzeb w wielu dziedzinach, od energetyki przez opiekę zdrowotną po elektronikę. Dodatkowo, wraz ze wzrostem zaawansowania technologii, metody prób i błędów są często kosztowne i trudne, ponieważ może być trudne wyjaśnienie wszystkich istotnych zależności między zmiennymi w złożonym systemie . Wysiłki inżynierii molekularnej mogą obejmować narzędzia obliczeniowe, metody eksperymentalne lub kombinację obu.

Historia

Inżynieria molekularna została po raz pierwszy wspomniana w literaturze naukowej w 1956 roku przez Arthura R. von Hippela , który zdefiniował ją jako „… nowy sposób myślenia o problemach inżynierskich. buduje się materiały z ich atomów i molekuł do tego celu.” Koncepcja ta została powtórzona w przełomowym wykładzie Richarda Feynmana z 1959 r. Jest mnóstwo miejsca na dole , który jest powszechnie uważany za początek niektórych fundamentalnych idei z dziedziny nanotechnologii . Pomimo wczesnego wprowadzenia tych koncepcji, dopiero w połowie lat 80. XX wieku, wraz z publikacją Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology autorstwa Drexlera , nowoczesne koncepcje nauki w skali nano i molekularnej zaczęły się rozwijać w społeczeństwie. świadomość.

Odkrycie w 1977 r. przez Alana J. Heegera właściwości przewodzących prąd elektryczny w poliacetylenie skutecznie otworzyło dziedzinę elektroniki organicznej , która okazała się podstawą wielu wysiłków inżynierii molekularnej. Projektowanie i optymalizacja tych materiałów doprowadziła do szeregu innowacji, w tym organicznych diod elektroluminescencyjnych i elastycznych ogniw słonecznych .

Aplikacje

Projektowanie molekularne jest ważnym elementem wielu dyscyplin naukowych, w tym bioinżynierii, inżynierii chemicznej, elektrotechniki, materiałoznawstwa, inżynierii mechanicznej i chemii. Jednak jednym z bieżących wyzwań jest zebranie krytycznej masy siły roboczej między dyscyplinami, aby objąć sferę od teorii projektowania po produkcję materiałów i od projektowania urządzeń po rozwój produktu. Tak więc, chociaż koncepcja racjonalnej inżynierii technologii oddolnej nie jest nowa, wciąż jest daleka od szerokiego przełożenia na działania badawczo-rozwojowe.

Inżynieria molekularna znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Niektóre zastosowania technologii, w których inżynieria molekularna odgrywa kluczową rolę:

Produkty konsumenckie

  • Powierzchnie antybiotykowe (np. włączenie nanocząstek srebra lub peptydów antybakteryjnych do powłok w celu zapobiegania infekcji drobnoustrojami)
  • Kosmetyki (np. modyfikacja reologiczna małymi cząsteczkami i środkami powierzchniowo czynnymi w szamponie)
  • Środki czyszczące (np. nanosrebro w płynie do prania)
  • Elektronika użytkowa (np. organiczne wyświetlacze diodowe (OLED))
  • Szyby elektrochromowe (np. szyby w Boeingu 787 Dreamliner )
  • Pojazdy bezemisyjne (np. zaawansowane ogniwa paliwowe /baterie)
  • Powierzchnie samoczyszczące (np. super hydrofobowe powłoki powierzchni )

Zbieranie i magazynowanie energii

Inżynieria środowiska

  • Odsalanie wody (np. nowe membrany do wysokowydajnego, taniego usuwania jonów)
  • Rekultywacja gleby (np. katalityczne nanocząstki, które przyspieszają degradację długożyciowych zanieczyszczeń gleby, takich jak chlorowane związki organiczne)
  • Sekwestracji węgla (np nowych materiałów CO 2 adsorpcji)

Immunoterapia

  • Szczepionki na bazie peptydów (np. amfifilowe zespoły makrocząsteczkowe peptydów wywołują silną odpowiedź immunologiczną)
  • Biofarmaceutyki zawierające peptydy (np. nanocząstki, liposomy, micele polielektrolitowe jako nośniki dostarczania)

Biologia syntetyczna

  • CRISPR - Szybsza i bardziej wydajna technika edycji genów
  • Dostarczanie genów / terapia genowa - Projektowanie cząsteczek w celu dostarczenia zmodyfikowanych lub nowych genów do komórek żywych organizmów w celu leczenia zaburzeń genetycznych
  • Inżynieria metaboliczna - Modyfikowanie metabolizmu organizmów w celu optymalizacji produkcji substancji chemicznych (np. genomika syntetyczna )
  • Inżynieria białek - Zmiana struktury istniejących białek w celu umożliwienia określonych nowych funkcji lub tworzenie w pełni sztucznych białek
  • Materiały funkcjonalizowane DNA - zespoły 3D siatek nanocząstek sprzężonych z DNA

Stosowane techniki i instrumenty

Inżynierowie molekularni wykorzystują zaawansowane narzędzia i instrumenty do tworzenia i analizowania interakcji cząsteczek i powierzchni materiałów w skali molekularnej i nano. Zwiększa się złożoność cząsteczek wprowadzanych na powierzchnię, a techniki stosowane do analizy właściwości powierzchni na poziomie molekularnym ulegają ciągłym zmianom i udoskonaleniom. W międzyczasie postępy w obliczeniach o wysokiej wydajności znacznie rozszerzyły zastosowanie symulacji komputerowych w badaniach systemów w skali molekularnej.

Podejścia obliczeniowe i teoretyczne

Naukowiec EMSL korzystający z transmisyjnego mikroskopu elektronowego w Pacific Northwest National Laboratory. ETEM zapewnia możliwości in situ, które umożliwiają obrazowanie w rozdzielczości atomowej i badania spektroskopowe materiałów w dynamicznych warunkach operacyjnych. W przeciwieństwie do tradycyjnej pracy TEM w wysokiej próżni, ETEM EMSL w unikalny sposób umożliwia obrazowanie w środowiskach o wysokiej temperaturze i gazie.

Mikroskopia

Charakterystyka molekularna

Spektroskopia

Nauka o powierzchni

Metody syntetyczne

Inne narzędzia

Badania / Edukacja

Co najmniej trzy uniwersytety oferują stopnie naukowe poświęcone inżynierii molekularnej: University of Chicago , University of Washington i Kyoto University . Programy te są instytutami interdyscyplinarnymi z wydziałami z kilku dziedzin badawczych.

Czasopismo akademickie Molecular Systems Design & Engineering publikuje badania z wielu różnych obszarów tematycznych, które demonstrują „strategię projektowania lub optymalizacji molekularnej ukierunkowaną na funkcjonalność i wydajność określonych systemów”.

Zobacz też

Tematy ogólne

Bibliografia