Молекулярная инженерия - Molecular engineering

Молекулярная инженерия - это новая область исследований, связанная с разработкой и тестированием молекулярных свойств, поведения и взаимодействий с целью сборки лучших материалов, систем и процессов для конкретных функций. Этот подход, при котором наблюдаемые свойства макроскопической системы зависят от прямого изменения молекулярной структуры, попадает в более широкую категорию «Снизу вверх» дизайн.

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 охватывает аспекты химическая инженерия, материаловедение, биоинженерия, электротехника, физика, машиностроение, и химия. Также существует значительное совпадение с нанотехнологии, 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 области 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 направлен на непосредственное управление 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 оказываются дорогостоящими и трудными, поскольку может быть трудно учесть все соответствующие зависимости между переменными в таблице. сложная система. Молекулярная инженерия может включать вычислительные инструменты, экспериментальные методы или их комбинацию.

История

Молекулярная инженерия впервые была упомянута в исследовательской литературе в 1956 г. Артур Р. фон Хиппель, которые определили это как «… новый способ размышления об инженерных проблемах. Вместо того, чтобы использовать готовые материалы и пытаться разработать инженерные приложения, соответствующие их макроскопическим свойствам, каждый строит материалы из их атомов и молекул для достижения поставленной цели».[1] Эта концепция нашла отражение в Ричарда Фейнмана основополагающая лекция 1959 года Внизу много места, который широко считается источником некоторых фундаментальных идей в области нанотехнологии. Несмотря на раннее внедрение этих концепций, только в середине 1980-х годов были опубликованы Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий к Дрекслер что современные концепции нано- и молекулярной науки начали расти в общественном сознании.

Открытие электропроводящих свойств в полиацетилен к Алан Дж. Хигер в 1977 г.[2] эффективно открыл сферу органическая электроника, который оказался основой многих усилий в области молекулярной инженерии. Дизайн и оптимизация этих материалов привели к ряду инноваций, в том числе: органические светодиоды и гибкие солнечные элементы.

Приложения

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

  • Поверхности с антибиотиками (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))
  • Электрохромный окна (например, окна в Boeing 787 Dreamliner )
  • Автомобили с нулевым уровнем выбросов (например, улучшенные топливные элементы / батареи)
  • Самоочищающиеся поверхности (например, супер гидрофобные покрытия поверхности )

Сбор энергии и Место хранения

Инженерия окружающей среды

  • Опреснение воды (например, новые мембраны для высокоэффективного и недорогого удаления ионов)[12]
  • Восстановление почвы (например, каталитические наночастицы, которые ускоряют разложение долгоживущих загрязнителей почвы, таких как хлорированные органические соединения)[13]
  • Связывание углерода (например, новые материалы для CO2 адсорбция)[14]

Иммунотерапия

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

Синтетическая биология

  • 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

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

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

Молекулярная характеристика

Спектроскопия

Наука о поверхности

Синтетические методы

Другие инструменты

Исследования / Образование

По крайней мере три университета предлагают ученые степени, посвященные молекулярной инженерии: Чикагский университет,[18] то Вашингтонский университет,[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 в самых разных предметных областях, которые демонстрируют «молекулярный дизайн или стратегию оптимизации, нацеленную на функциональность и производительность конкретных систем».

Смотрите также

Общие темы

Рекомендации

  1. ^ фон Хиппель, Артур Р. (1956). «Молекулярная инженерия». Наука. 123 (3191): 315–317. Дои:10.1126 / science.123.3191.315. JSTOR  1750067. PMID  17774519.
  2. ^ Чанг, К. К. (1977-01-01). «Электропроводность легированного полиацетилена». Письма с физическими проверками. 39 (17): 1098–1101. Bibcode:1977ПхРвЛ..39.1098С. Дои: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. Дои:10.3390 / ijms150813849. ЧВК  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. А. 3 (29): 14971–14976. Дои:10.1039 / c5ta02380g. ISSN  2050-7496.
  5. ^ У, Минъянь; Сяо, Синчэн; Вукмирович, Ненад; Сюнь, Шиди; Das, Prodip K .; Сун, Сянъюнь; Олальде-Веласко, Поль; Ван, Дондун; 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. Дои:10.1021 / ja4054465. PMID  23855781.
  6. ^ Чой, Джечеол; Ким, Кьюман; Чон, Джисон; Чо, Кук Ён; Рё, Мён-Хён; Ли, Ён Мин (30.06.2015). "Сильноадгезионное и растворимое сополиимидное связующее: увеличение продолжительного срока службы кремниевых анодов в литий-ионных батареях". Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 7 (27): 14851–14858. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1149 / 2.083212jes. ISSN  0013-4651.
  9. ^ "Новые ламинарные батареи | Мир печатной электроники". 2007-05-18. Получено 2016-08-06.
  10. ^ Ноками, Тошики; 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. Дои:10.1021 / ja306663g. PMID  23130634.
  11. ^ Лян, Яньлян; 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. Дои: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:2015НатНа..10..459С. Дои:10.1038 / nnano.2015.37. OSTI  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». Водные исследования. 44 (7): 2360–2370. Дои: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. Получено 2016-08-06.
  15. ^ Блэк, Мэтью; Трент, Аманда; Костенко Юлия; Ли, Джозеф Сэён; Олив, Коллин; Тиррелл, Мэтью (24.07.2012). «Самособирающиеся пептидные амфифильные мицеллы, содержащие цитотоксический Т-клеточный эпитоп, способствуют защитному иммунному ответу in vivo». Передовые материалы. 24 (28): 3845–3849. Дои: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. Дои:10.1039 / C7CS00536A. ISSN  0306-0012. PMID  28902203.
  17. ^ Лекье, Джошуа; Кордова, Андрес; Хинкли, Дэниел; де Пабло, Хуан Дж. (2016-08-17). «Механический ответ кристаллов ДНК-наночастиц на контролируемую деформацию». ACS Central Science. 2 (9): 614–620. Дои:10.1021 / acscentsci.6b00170. ISSN  2374-7943. ЧВК  5043426. PMID  27725959.
  18. ^ «Институт молекулярной инженерии». ime.uchicago.edu. Получено 2016-08-06.
  19. ^ "Институт молекулярной инженерии и наук". www.moles.washington.edu. Получено 2016-08-06.
  20. ^ "Верхняя страница - Университет Киото, факультет молекулярной инженерии". www.ml.t.kyoto-u.ac.jp. Получено 2016-08-06.
  21. ^ "Дизайн и разработка молекулярных систем". Королевское химическое общество. 31 июля 2014 г.. Получено 6 августа, 2016.