Inżynieria molekularna

Inżynieria molekularna to wschodząca dziedzina nauki zajmująca się projektowaniem i testowaniem właściwości, zachowania i interakcji molekularnych w celu łączenia 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 rygorystycznego, racjonalnego podejścia do projektowania molekularnego w celu uzyskania systemów o dużej złożoności.

Inżynieria molekularna jest z natury wysoce interdyscyplinarna i obejmuje aspekty inżynierii chemicznej , materiałoznawstwa , bioinżynierii , elektrotechniki , fizyki , inżynierii mechanicznej i chemii . Istnieje również znaczne nakładanie się nanotechnologii , ponieważ oba 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 dotyczyły immunoterapii, biologii syntetycznej i elektroniki drukowanej (patrz zastosowania inżynierii molekularnej ).

Inżynieria molekularna to dynamiczna i rozwijająca się dziedzina ze złożonymi problemami docelowymi; przełomy wymagają wyrafinowanych i kreatywnych inżynierów, którzy są biegli w różnych dyscyplinach. Racjonalna metodologia inżynierska oparta na zasadach molekularnych kontrastuje z szeroko rozpowszechnionym podejściem metodą prób i błędów, powszechnym we wszystkich dyscyplinach inżynierskich. Zamiast polegać na dobrze opisanych, ale słabo zrozumianych korelacjach empirycznych między składem układu a jego właściwościami, podejście do projektowania molekularnego ma na celu bezpośrednie manipulowanie właściwościami układu przy użyciu zrozumienia ich chemicznego i fizycznego pochodzenia. Często prowadzi to do powstania całkowicie nowych materiałów i systemów, które są wymagane w celu zaspokojenia wyjątkowych potrzeb w wielu dziedzinach, od energii, przez opiekę zdrowotną, po elektronikę. Ponadto, wraz ze wzrostem wyrafinowania technologii, metody prób i błędów są często kosztowne i trudne, ponieważ uwzględnienie wszystkich istotnych zależności między zmiennymi w modelu może być trudne. system złożony . 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. Zamiast brać prefabrykowane materiały i próbować opracowywać zastosowania inżynierskie zgodne z ich właściwościami makroskopowymi, buduje się materiały z ich atomów i cząsteczek w określonym celu”. Ta koncepcja została powtórzona w przełomowym wykładzie Richarda Feynmana z 1959 r . Na dnie jest dużo miejsca , który jest powszechnie uważany za początek niektórych fundamentalnych idei w dziedzinie nanotechnologia . 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 rosnąć w opinii publicznej świadomość.

Odkrycie właściwości przewodzenia prądu elektrycznego w poliacetylenie przez Alana J. Heegera w 1977 roku skutecznie otworzyło dziedzinę elektroniki organicznej , która okazała się podstawą wielu wysiłków inżynierii molekularnej. Projektowanie i optymalizacja tych materiałów doprowadziło do szeregu innowacji, w tym organicznych diod elektroluminescencyjnych i elastycznych ogniw słonecznych .

Aplikacje

Projektowanie molekularne było ważnym elementem wielu dyscyplin akademickich, w tym bioinżynierii, inżynierii chemicznej, elektrotechniki, materiałoznawstwa, inżynierii mechanicznej i chemii. Jednak jednym z bieżących wyzwań jest zebranie masy krytycznej siły roboczej z różnych dyscyplin, aby objąć dziedzinę, od teorii projektowania po produkcję materiałów i od projektowania urządzeń po rozwój produktu. Tak więc, chociaż koncepcja racjonalnej inżynierii technologii od dołu do góry nie jest nowa, wciąż daleko jej do szerokiego przełożenia na wysiłki badawczo-rozwojowe.

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

Produkty konsumenckie

i magazynowanie energii

  • Baterie przepływowe — Syntetyzowanie molekuł na potrzeby elektrolitów o dużej gęstości energii i wysoce selektywnych membran w systemach magazynowania energii na skalę sieciową.
  • Akumulatory litowo-jonowe — tworzenie nowych cząsteczek do stosowania jako spoiwa elektrod, elektrolity, dodatki do elektrolitów, a nawet do bezpośredniego magazynowania energii w celu poprawy gęstości energii (przy użyciu materiałów takich jak grafen, nanopręty krzemowe i metaliczny lit ) , gęstości mocy, cyklu życie i bezpieczeństwo.
  • Ogniwa słoneczne — opracowywanie nowych materiałów do bardziej wydajnych i opłacalnych ogniw słonecznych, w tym ogniw fotowoltaicznych organicznych , kropek kwantowych lub perowskitów .
  • Fotokatalityczne rozszczepianie wody — usprawnienie produkcji paliwa wodorowego przy użyciu energii słonecznej i zaawansowanych materiałów katalitycznych, takich jak nanocząsteczki półprzewodnikowe

Inżynieria środowiska

  • Odsalanie wody (np. nowe membrany do wysokowydajnego i taniego usuwania jonów)
  • Rekultywacja gleby (np. nanocząsteczki katalityczne, które przyspieszają degradację długotrwałych zanieczyszczeń gleby, takich jak chlorowane związki organiczne)
  • Sekwestracja węgla (np. nowe materiały do ​​adsorpcji CO 2 )

Immunoterapia

Biologia syntetyczna

  • CRISPR – Szybsza i wydajniejsza technika edycji genów
  • Dostarczanie genów / terapia genowa - Projektowanie cząsteczek w celu dostarczania 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 - trójwymiarowe zespoły siatek nanocząstek sprzężonych z DNA

Stosowane techniki i instrumenty

Inżynierowie molekularni wykorzystują zaawansowane narzędzia i instrumenty do tworzenia i analizowania interakcji między cząsteczkami i powierzchniami materiałów w skali molekularnej i nano. Złożoność cząsteczek wprowadzanych na powierzchnię wzrasta, a techniki stosowane do analizy właściwości powierzchni na poziomie molekularnym stale się zmieniają i udoskonalają. W międzyczasie postęp w obliczeniach o wysokiej wydajności znacznie rozszerzył wykorzystanie symulacji komputerowych w badaniu systemów w skali molekularnej.

Podejścia obliczeniowe i teoretyczne

Naukowiec EMSL używający środowiskowego 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 tradycyjnego działania TEM w wysokiej próżni, ETEM firmy EMSL w wyjątkowy sposób umożliwia obrazowanie w środowiskach o wysokiej temperaturze i gazach.

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 to interdyscyplinarne instytuty z wykładowcami z kilku obszarów badawczych.

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

Zobacz też

Tematy ogólne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Molecular_engineering&oldid=1135398038 ”