Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Молекулярная инженерия - это развивающаяся область исследований, связанная с разработкой и тестированием молекулярных свойств, поведения и взаимодействий, чтобы собрать лучшие материалы, системы и процессы для конкретных функций. Этот подход, в котором наблюдаемые свойства макроскопической системы зависят от прямого изменения молекулярной структуры, попадает в более широкую категорию дизайна «снизу вверх» .

Молекулярная инженерия связана с усилиями по разработке материалов в новых технологиях, которые требуют строгих рациональных подходов к молекулярному дизайну для систем высокой сложности.

Молекулярная инженерия по своей природе в высшей степени междисциплинарна и включает в себя аспекты химической инженерии , материаловедения , биоинженерии , электротехники , физики , машиностроения и химии . Также есть много общего с нанотехнологиями., в том, что оба связаны с поведением материалов в масштабе нанометров или меньше. Учитывая в высшей степени фундаментальную природу молекулярных взаимодействий, существует множество потенциальных областей применения, ограниченных, возможно, только воображением и законами физики. Однако некоторые из первых успехов молекулярной инженерии были достигнуты в областях иммунотерапии, синтетической биологии и печатной электроники (см. Приложения молекулярной инженерии ).

Молекулярная инженерия - это динамичная и развивающаяся область со сложными целевыми проблемами; для достижений требуются опытные и креативные инженеры, разбирающиеся 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 дизайна стремится напрямую управлять свойствами системы, используя понимание их химического и физического происхождения. Это часто приводит к появлению принципиально новых материалов и систем, которые необходимы для удовлетворения актуальных потребностей во многих областях, от энергетики до здравоохранения и электроники. Кроме того,с ростом сложности технологий подходы, основанные на пробах и ошибках, часто являются дорогостоящими и трудными, поскольку может быть трудно учесть все соответствующие зависимости между переменными всложная система . Молекулярная инженерия может включать вычислительные инструменты, экспериментальные методы или их комбинацию.

История [ править ]

Молекулярная инженерия впервые была упомянута в исследовательской литературе в 1956 году Артуром Р. фон Хиппелем , который определил ее как «… новый способ осмысления инженерных проблем. Вместо того, чтобы использовать готовые материалы и пытаться разработать инженерные приложения, совместимые с их макроскопическими свойствами, один строит материалы из их атомов и молекул для этой цели ". [1] Эта концепция была отражена в основополагающей лекции Ричарда Фейнмана 1959 года « На дне много места» , которая, как многие полагают, породила некоторые фундаментальные идеи в области нанотехнологий . Несмотря на раннее внедрение этих концепций, только в середине 1980-х годов были опубликованы«Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий » Дрекслера о том, что современные концепции нано- и молекулярной науки начали расти в общественном сознании.

Открытие электропроводящих свойств в полиацетилене по Alan J. Хигеру в 1977 году [2] эффективно открыло поле органической электроники , который доказал основополагающим для многих усилий молекулярной инженерии. Дизайн и оптимизация этих материалов привели к ряду инноваций, включая органические светодиоды и гибкие солнечные элементы .

Приложения [ править ]

Молекулярный дизайн был важным элементом многих дисциплин в академических кругах, включая биоинженерию, химическую инженерию, электротехнику, материаловедение, машиностроение и химию. Тем не менее, одна из текущих задач заключается в том, чтобы собрать воедино критическую массу рабочей силы из разных дисциплин, чтобы охватить область от теории дизайна до производства материалов и от проектирования устройств до разработки продукта. Таким образом, хотя концепция рационального технологического проектирования снизу вверх не нова, она еще далека от широкого воплощения в исследованиях и разработках.

Молекулярная инженерия используется во многих отраслях промышленности. Некоторые приложения технологий, в которых молекулярная инженерия играет решающую роль:

Потребительские товары [ править ]

  • Антибиотические поверхности (например, включение наночастиц серебра или антибактериальных пептидов в покрытия для предотвращения микробной инфекции) [3]
  • Косметика (например, реологическая модификация с использованием небольших молекул и поверхностно-активных веществ в шампуне)
  • Чистящие средства (например, наносеребро в стиральном порошке)
  • Бытовая электроника (например, дисплеи на органических светодиодах (OLED))
  • Электрохромные окна (например, окна в Boeing 787 Dreamliner )
  • Транспортные средства с нулевым уровнем выбросов (например, современные топливные элементы / батареи)
  • Самоочищающиеся поверхности (например, супергидрофобные покрытия для поверхностей )

Сбор и хранение энергии [ править ]

  • Батареи потока - синтез молекул для электролитов с высокой плотностью энергии и высокоселективных мембран в системах хранения энергии сетевого масштаба. [4]
  • Литий-ионные аккумуляторы - создание новых молекул для использования в качестве связующих электродов, [5] [6] электролитов, [7] добавок к электролитам [8] или даже непосредственно для накопления энергии [9] [10] [11] с целью улучшения плотность энергии (с использованием таких материалов, как графен , кремниевые наностержни и металлический литий ), плотность мощности, срок службы и безопасность.
  • Солнечные батареи - разработка новых материалов для более эффективных и экономичных солнечных батарей в том числе органических , квантовой точки или перовскита -На фотовольтаики .
  • Фотокаталитическое расщепление воды - увеличение производства водородного топлива с использованием солнечной энергии и современных каталитических материалов, таких как полупроводниковые наночастицы

Экологическая инженерия [ править ]

  • Опреснение воды (например, новые мембраны для высокоэффективного и недорогого удаления ионов) [12]
  • Ремедиация почвы (например, каталитические наночастицы, которые ускоряют разложение долгоживущих загрязнителей почвы, таких как хлорированные органические соединения) [13]
  • Связывание углерода (например, новые материалы для адсорбции CO 2 ) [14]

Иммунотерапия [ править ]

  • Вакцины на основе пептидов (например, макромолекулярные ансамбли амфифильных пептидов вызывают устойчивый иммунный ответ) [15]
  • Пептидсодержащие биофармацевтические препараты (например, наночастицы, липосомы, полиэлектролитные мицеллы в качестве средств доставки) [16]

Синтетическая биология [ править ]

  • CRISPR - более быстрая и эффективная техника редактирования генов
  • Доставка генов / генная терапия - разработка молекул для доставки модифицированных или новых генов в клетки живых организмов для лечения генетических заболеваний.
  • Метаболическая инженерия - изменение метаболизма организмов для оптимизации производства химикатов (например, синтетическая геномика )
  • Белковая инженерия - изменение структуры существующих белков для включения определенных новых функций или создание полностью искусственных белков.
  • ДНК-функционализированные материалы - трехмерные сборки решеток ДНК-конъюгированных наночастиц [17]

Используемые методы и инструменты [ править ]

Молекулярные инженеры используют сложные инструменты и инструменты для создания и анализа взаимодействий молекул и поверхностей материалов на молекулярном и наноразмерном уровне. Сложность молекул, вводимых на поверхность, увеличивается, а методы, используемые для анализа характеристик поверхности на молекулярном уровне, постоянно меняются и улучшаются. Между тем, достижения в области высокопроизводительных вычислений значительно расширили использование компьютерного моделирования при изучении систем молекулярного масштаба.

Вычислительные и теоретические подходы [ править ]

  • Вычислительная химия
  • Высокопроизводительные вычисления
  • Молекулярная динамика
  • Молекулярное моделирование
  • Статистическая механика
  • Теоретическая химия
  • Топология
Ученый EMSL использует просвечивающий электронный микроскоп окружающей среды в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. ETEM предоставляет возможности in situ, которые позволяют получать изображения с атомным разрешением и спектроскопические исследования материалов в динамических рабочих условиях. В отличие от традиционной работы ПЭМ в высоком вакууме, ETEM от EMSL позволяет получать изображения в условиях высоких температур и газов.

Микроскопия [ править ]

  • Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
  • Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
  • Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

Молекулярная характеристика [ править ]

  • Динамическое рассеяние света (DLS)
  • Матричная лазерная десорбция / ионизация (MALDI) спектрокосопия
  • Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
  • Эксклюзионная хроматография (SEC)

Спектроскопия [ править ]

  • Эллипсометрия
  • 2D рентгеновская дифракция (XRD)
  • Рамановская спектроскопия / микроскопия

Наука о поверхности [ править ]

  • Оптико-эмиссионная спектрометрия тлеющего разряда
  • Масс-спектрометрия вторичных ионов по времени пролета (ToF-SIMS)
  • Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)

Синтетические методы [ править ]

  • Синтез ДНК
  • Синтез наночастиц
  • Органический синтез
  • Синтез пептидов
  • Полимерный синтез

Другие инструменты [ править ]

  • Сфокусированный ионный пучок (FIB)
  • Профилометр
  • УФ-фотоэлектронная спектроскопия (UPS)
  • Генерация суммарной частоты колебаний

Исследования / образование [ править ]

По крайней мере , три университеты предлагают дипломы , посвященные молекулярной инженерии: в Чикагский университет , [18] в Университете штата Вашингтон , [19] и Киотский университет . [20] Эти программы представляют собой междисциплинарные институты с преподавателями из нескольких исследовательских областей.

Академический журнал Molecular Systems Design & Engineering [21] публикует исследования из широкого спектра предметных областей, которые демонстрируют «молекулярный дизайн или стратегию оптимизации, нацеленную на функциональность и производительность конкретных систем».

См. Также [ править ]

Общие темы [ править ]

  • Биологическая инженерия
  • Биомолекулярная инженерия
  • Химическая инженерия
  • Химия
  • Электротехника
  • Материаловедение и инженерия
  • Машиностроение
  • Программное обеспечение для молекулярного дизайна
  • Молекулярная электроника
  • Молекулярное моделирование
  • Молекулярная нанотехнология
  • Нанотехнологии

Ссылки [ править ]

  1. ^ фон Хиппель, Артур R (1956). «Молекулярная инженерия». Наука . 123 (3191): 315–317. Bibcode : 1956Sci ... 123..315V . DOI : 10.1126 / science.123.3191.315 . JSTOR  1750067 . PMID  17774519 .
  2. ^ Чанг, CK (1977-01-01). «Электропроводность легированного полиацетилена». Письма с физическим обзором . 39 (17): 1098–1101. Bibcode : 1977PhRvL..39.1098C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.39.1098 .
  3. ↑ Галло, Иржи; Холинка, Мартин; Муха, Калин С. (11.08.2014). «Антибактериальная обработка поверхности ортопедических имплантатов» . Международный журнал молекулярных наук . 15 (8): 13849–13880. DOI : 10.3390 / ijms150813849 . PMC 4159828 . PMID 25116685 .  
  4. ^ Хуан, Цзиньхуа; Су, Лян; Ковальски, Джеффри А .; Бартон, Джон Л .; Феррандон, Магали; Баррелл, Энтони К .; Brushett, Fikile R .; Чжан, Лу (2015-07-14). «Субтрактивный подход к молекулярной инженерии окислительно-восстановительных материалов на основе диметоксибензола для неводных проточных батарей». J. Mater. Chem. . 3 (29): 14971–14976. DOI : 10.1039 / c5ta02380g . ISSN 2050-7496 . 
  5. ^ Ву, Минъянь; Сяо, Синчэн; Вукмирович, Ненад; Сюнь, Шиди; Das, Prodip K .; Сун, Сянъюнь; Олальде-Веласко, Поль; Ван, Дондон; Вебер, Адам З. (31 июля 2013 г.). «На пути к идеальной конструкции полимерного связующего для анодов аккумуляторных батарей большой емкости» . Журнал Американского химического общества . 135 (32): 12048–12056. DOI : 10.1021 / ja4054465 . PMID 23855781 . 
  6. ^ Choi, Jaecheol; Ким, Кьюман; Чон, Джисон; Чо, Кук Ён; Рё, Мён-Хён; Ли, Ён Мин (30.06.2015). «Высокоадгезивное и растворимое сополиимидное связующее: увеличение продолжительного срока службы кремниевых анодов в литий-ионных батареях». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 7 (27): 14851–14858. DOI : 10.1021 / acsami.5b03364 . PMID 26075943 . 
  7. ^ Тан, Ши; Ji, Ya J .; Zhang, Zhong R .; Ян, Юн (21.07.2014). «Последние достижения в исследованиях высоковольтных электролитов для литий-ионных батарей». ХимФисХим . 15 (10): 1956–1969. DOI : 10.1002 / cphc.201402175 . ISSN 1439-7641 . PMID 25044525 .  
  8. ^ Чжу, Е; Ли, Ян; Беттдж, Мартин; Авраам, Дэниел П. (01.01.2012). «Положительная пассивация электрода добавкой электролита LiDFOB в литий-ионных элементах большой емкости». Журнал Электрохимического общества . 159 (12): A2109 – A2117. DOI : 10.1149 / 2.083212jes . ISSN 0013-4651 . 
  9. ^ "Новые ламинарные батареи | Мир печатной электроники" . 2007-05-18 . Проверено 6 августа 2016 .
  10. ^ Nokami, Тосики; Мацуо, Такахиро; Инатоми, Юу; Ходзё, Нобухико; Цукагоши, Такафуми; Ёсизава, Хироши; Симидзу, Акихиро; Курамото, Хироки; Комаэ, Кадзутомо (2012-11-20). «Связанный полимером пирен-4,5,9,10-тетраон для быстрой зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов большой емкости». Журнал Американского химического общества . 134 (48): 19694–19700. DOI : 10.1021 / ja306663g . PMID 23130634 . 
  11. ^ Лян, Яньлянь; Чен, Чжихуа; Цзин, Ян; Ронг, Яогуанг; Факкетти, Антонио; Яо, Ян (2015-04-11). «Сильно n-допируемые π-конъюгированные окислительно-восстановительные полимеры со сверхбыстрым накоплением энергии» . Журнал Американского химического общества . 137 (15): 4956–4959. DOI : 10.1021 / jacs.5b02290 . PMID 25826124 . 
  12. ^ Surwade, Sumedh P .; Смирнов, Сергей Н .; Влассюк, Иван В .; Unocic, Raymond R .; Veith, Gabriel M .; Дай, Шэн; Махурин, Шеннон М. (2015). «Обессоливание воды с использованием однослойного нанопористого графена». Природа Нанотехнологии . 10 (5): 459–464. Bibcode : 2015NatNa..10..459S . DOI : 10.1038 / nnano.2015.37 . ОСТИ 1185491 . PMID 25799521 .  
  13. ^ Он, Фэн; Чжао, Дунъе; Пол, Крис (01.04.2010). «Полевая оценка наночастиц железа, стабилизированных карбоксиметилцеллюлозой, для разрушения на месте хлорированных растворителей в зонах источника». Исследования воды . 44 (7): 2360–2370. DOI : 10.1016 / j.watres.2009.12.041 . PMID 20106501 . 
  14. ^ Пелли, Джанет. «Лучшее улавливание углерода с помощью химии | Новости химии и техники» . cen.acs.org . Проверено 6 августа 2016 .
  15. ^ Блэк, Мэтью; Трент, Аманда; Костенко Юлия; Ли, Джозеф Сэён; Олив, Коллин; Тиррелл, Мэтью (24.07.2012). «Самостоятельно собранные пептидные амфифильные мицеллы, содержащие цитотоксический Т-клеточный эпитоп, способствуют защитному иммунному ответу in vivo». Современные материалы . 24 (28): 3845–3849. DOI : 10.1002 / adma.201200209 . ISSN 1521-4095 . PMID 22550019 .  
  16. ^ Акар, Ханьдань; Тинг, Джеффри М .; Шривастава, Саманвая; LaBelle, James L .; Тиррелл, Мэтью В. (2017). «Молекулярно-инженерные решения для доставки терапевтических пептидов». Обзоры химического общества . 46 (21): 6553–6569. DOI : 10.1039 / C7CS00536A . ISSN 0306-0012 . PMID 28902203 .  
  17. ^ Lequieu, Джошуа; Кордова, Андрес; Хинкли, Дэниел; де Пабло, Хуан Дж. (2016-08-17). «Механический ответ кристаллов ДНК-наночастиц на контролируемую деформацию» . АСУ Центральная Наука . 2 (9): 614–620. DOI : 10.1021 / acscentsci.6b00170 . ISSN 2374-7943 . PMC 5043426 . PMID 27725959 .   
  18. ^ "Институт молекулярной инженерии" . ime.uchicago.edu . Проверено 6 августа 2016 .
  19. ^ "Институт молекулярной инженерии и наук" . www.moles.washington.edu . Проверено 6 августа 2016 .
  20. ^ "Верхняя страница - Университет Киото, факультет молекулярной инженерии" . www.ml.t.kyoto-u.ac.jp . Проверено 6 августа 2016 .
  21. ^ "Дизайн и разработка молекулярных систем" . Королевское химическое общество. 31 июля 2014 . Проверено 6 августа 2016 года .