Молекулярная инженерия — это новая область исследований, связанная с проектированием и тестированием молекулярных свойств, поведения и взаимодействий с целью создания лучших материалов, систем и процессов для определенных функций. Этот подход, в котором наблюдаемые свойства макроскопической системы подвергаются влиянию прямого изменения молекулярной структуры, попадает в более широкую категорию проектирования «снизу вверх» .
Молекулярная инженерия занимается разработкой материалов в новых технологиях, требующих строгих рациональных подходов к молекулярному проектированию систем высокой сложности.
Молекулярная инженерия по своей природе является в высшей степени междисциплинарной, охватывая аспекты химической инженерии , материаловедения , биоинженерии , электротехники , физики , машиностроения и химии . Существует также значительное совпадение с нанотехнологией , поскольку обе они связаны с поведением материалов в масштабе нанометров или меньше. Учитывая фундаментальную природу молекулярных взаимодействий, существует множество потенциальных областей применения, ограниченных, возможно, только воображением и законами физики. Однако некоторые из ранних успехов молекулярной инженерии пришли в области иммунотерапии, синтетической биологии и печатной электроники (см. приложения молекулярной инженерии).
Молекулярная инженерия — это динамичная и развивающаяся область со сложными целевыми задачами; прорывы требуют опытных и креативных инженеров, которые разбираются в разных дисциплинах. Рациональная инженерная методология, основанная на молекулярных принципах, контрастирует с широко распространенными подходами проб и ошибок, распространенными во всех инженерных дисциплинах. Вместо того чтобы полагаться на хорошо описанные, но плохо понятые эмпирические корреляции между составом системы и ее свойствами, подход молекулярного проектирования стремится напрямую манипулировать свойствами системы, используя понимание их химического и физического происхождения. Это часто приводит к появлению принципиально новых материалов и систем, которые требуются для удовлетворения выдающихся потребностей во многих областях, от энергетики до здравоохранения и электроники. Кроме того, с возросшей сложностью технологий подходы проб и ошибок часто являются дорогостоящими и сложными, поскольку может быть сложно учесть все соответствующие зависимости между переменными в сложной системе . Усилия в области молекулярной инженерии могут включать вычислительные инструменты, экспериментальные методы или их комбинацию.
История
Молекулярная инженерия впервые была упомянута в исследовательской литературе в 1956 году Артуром Р. фон Хиппелем , который определил ее как «… новый способ мышления об инженерных проблемах. Вместо того, чтобы брать готовые материалы и пытаться разрабатывать инженерные приложения, соответствующие их макроскопическим свойствам, человек строит материалы из их атомов и молекул для поставленной цели». [1] Эта концепция была отражена в основополагающей лекции Ричарда Фейнмана 1959 года «Там внизу полно места » , которая, как широко считается, дала начало некоторым фундаментальным идеям в области нанотехнологий . Несмотря на раннее введение этих концепций, только в середине 1980-х годов с публикацией книги Дрекслера « Машины творения: грядущая эра нанотехнологий » современные концепции нано- и молекулярной науки начали расти в общественном сознании.
Молекулярный дизайн был важным элементом многих дисциплин в академической среде, включая биоинженерию, химическую инженерию, электротехнику, материаловедение, машиностроение и химию. Однако одной из текущих задач является объединение критической массы рабочей силы среди дисциплин, чтобы охватить область от теории дизайна до производства материалов и от проектирования устройств до разработки продукта. Таким образом, хотя концепция рациональной разработки технологий снизу вверх не нова, она все еще далека от широкого внедрения в усилия по НИОКР.
Молекулярная инженерия используется во многих отраслях промышленности. Некоторые применения технологий, где молекулярная инженерия играет решающую роль:
Потребительские товары
Антибиотические поверхности (например, включение наночастиц серебра или антибактериальных пептидов в покрытия для предотвращения микробной инфекции) [3]
Косметика (например, реологическая модификация с использованием малых молекул и поверхностно-активных веществ в шампуне)
Чистящие средства (например, наносеребро в стиральном порошке)
Проточные батареи - Синтез молекул для электролитов с высокой плотностью энергии и высокоселективных мембран в системах хранения энергии в масштабе сетки. [4]
Литий-ионные аккумуляторы — создание новых молекул для использования в качестве связующих веществ для электродов, [5] [6] электролитов, [7] добавок к электролитам [8] или даже для непосредственного хранения энергии [9] [10] [11] с целью повышения плотности энергии (используя такие материалы, как графен , кремниевые наностержни и металлический литий ), плотности мощности, срока службы и безопасности.
Фотокаталитическое расщепление воды — улучшение производства водородного топлива с использованием солнечной энергии и современных каталитических материалов, таких как полупроводниковые наночастицы.
Экологическая инженерия
Опреснение воды (например, новые мембраны для высокоэффективного и недорогого удаления ионов) [12]
Рекультивация почвы (например, каталитические наночастицы, ускоряющие деградацию долгоживущих загрязнителей почвы, таких как хлорированные органические соединения) [13]
CRISPR — более быстрая и эффективная технология редактирования генов
Доставка генов / генная терапия — разработка молекул для доставки измененных или новых генов в клетки живых организмов для лечения генетических заболеваний.
Белковая инженерия — изменение структуры существующих белков для реализации новых функций или создание полностью искусственных белков.
ДНК-функционализированные материалы - трехмерные сборки решеток наночастиц, сопряженных с ДНК [17]
Используемые методы и инструменты
Молекулярные инженеры используют сложные инструменты и приборы для создания и анализа взаимодействий молекул и поверхностей материалов на молекулярном и наноуровне. Сложность молекул, вводимых на поверхность, увеличивается, а методы, используемые для анализа характеристик поверхности на молекулярном уровне, постоянно меняются и совершенствуются. Между тем, достижения в области высокопроизводительных вычислений значительно расширили использование компьютерного моделирования в изучении систем молекулярного масштаба.
Ученый EMSL использует экологический просвечивающий электронный микроскоп в Pacific Northwest National Laboratory. ETEM обеспечивает возможности in situ, которые позволяют получать изображения с атомным разрешением и спектроскопические исследования материалов в динамических рабочих условиях. В отличие от традиционной работы TEM в условиях высокого вакуума, ETEM EMSL уникальным образом позволяет получать изображения в условиях высоких температур и газов.
По крайней мере три университета предлагают ученые степени, посвященные молекулярной инженерии: Чикагский университет , [18] Вашингтонский университет , [ 19] и Киотский университет . [20] Эти программы являются междисциплинарными институтами с преподавателями из нескольких областей исследований.
Академический журнал Molecular Systems Design & Engineering [21] публикует исследования из самых разных предметных областей, демонстрирующие «стратегию молекулярного проектирования или оптимизации, нацеленную на конкретную функциональность и производительность систем».
^ фон Хиппель, Артур Р. (1956). «Молекулярная инженерия». Science . 123 (3191): 315–317. Bibcode :1956Sci...123..315V. doi :10.1126/science.123.3191.315. JSTOR 1750067. PMID 17774519.
^ Chiang, CK (1977-01-01). «Электропроводность в легированном полиацетилене». Physical Review Letters . 39 (17): 1098–1101. Bibcode : 1977PhRvL..39.1098C. doi : 10.1103/PhysRevLett.39.1098.
^ Галло, Джири; Холинка, Мартин; Муча, Калин С. (2014-08-11). «Антибактериальная обработка поверхности ортопедических имплантатов». Международный журнал молекулярных наук . 15 (8): 13849–13880. doi : 10.3390/ijms150813849 . PMC 4159828. PMID 25116685 .
^ Хуан, Цзиньхуа; Су, Лян; Ковальски, Джеффри А.; Бартон, Джон Л.; Феррандон, Магали; Баррелл, Энтони К.; Брушетт, Фикиле Р.; Чжан, Лу (14 июля 2015 г.). «Субтрактивный подход к молекулярной инженерии окислительно-восстановительных материалов на основе диметоксибензола для неводных проточных батарей». Дж. Матер. хим. А. 3 (29): 14971–14976. дои : 10.1039/c5ta02380g. ISSN 2050-7496.
^ У, Миньян; Сяо, Синчэн; Вукмирович, Ненад; Сюнь, Шиди; Дас, Продип К.; Сонг, Сянъюнь; Олальде-Веласко, Пол; Ван, Дондонг; Вебер, Адам З. (31 июля 2013 г.). «К идеальной конструкции полимерного связующего для анодов аккумуляторов высокой емкости». Журнал Американского химического общества . 135 (32): 12048–12056. doi :10.1021/ja4054465. PMID 23855781. S2CID 12715155.
^ Чой, Джэчхоль; Ким, Кюман; Чон, Джисон; Чо, Кук Ён; Рё, Мён-Хён; Ли, Ён Мин (2015-06-30). «Высокоадгезивное и растворимое связующее сополиимида: улучшение долгосрочного цикла жизни кремниевых анодов в литий-ионных батареях». ACS Applied Materials & Interfaces . 7 (27): 14851–14858. doi :10.1021/acsami.5b03364. PMID 26075943.
^ Тан, Ши; Цзи, Я. Дж.; Чжан, Чжун Р.; Ян, Юн (2014-07-21). «Последние достижения в исследованиях высоковольтных электролитов для литий-ионных аккумуляторов». ChemPhysChem . 15 (10): 1956–1969. doi :10.1002/cphc.201402175. ISSN 1439-7641. PMID 25044525.
^ Чжу, Йе; Ли, Янь; Беттге, Мартин; Абрахам, Дэниел П. (01.01.2012). «Пассивация положительного электрода с помощью добавки электролита LiDFOB в литий-ионных элементах высокой емкости». Журнал электрохимического общества . 159 (12): A2109–A2117. doi :10.1149/2.083212jes. ISSN 0013-4651.
^ Акар, Хандан; Тинг, Джеффри М.; Шривастава, Саманвая; ЛаБелль, Джеймс Л.; Тиррелл, Мэтью В. (2017). «Молекулярные инженерные решения для доставки терапевтических пептидов». Chemical Society Reviews . 46 (21): 6553–6569. doi :10.1039/C7CS00536A. ISSN 0306-0012. PMID 28902203.
^ Лекье, Джошуа; Кордова, Андрес; Хинкли, Даниэль; де Пабло, Хуан Х. (2016-08-17). «Механический отклик кристаллов ДНК–наночастиц на контролируемую деформацию». ACS Central Science . 2 (9): 614–620. doi :10.1021/acscentsci.6b00170. ISSN 2374-7943. PMC 5043426 . PMID 27725959.
