Молекулярная инженерия
Молекулярная инженерия — это новая область исследований, занимающаяся разработкой и тестированием молекулярных свойств, поведения и взаимодействий с целью создания лучших материалов, систем и процессов для выполнения конкретных функций. Этот подход, при котором на наблюдаемые свойства макроскопической системы влияют прямые изменения молекулярной структуры, попадает в более широкую категорию проектирования «снизу вверх» .
Молекулярная инженерия по своей природе очень междисциплинарна и охватывает аспекты химической инженерии , материаловедения , биоинженерии , электротехники , физики , машиностроения и химии . Существует также значительное совпадение с нанотехнологиями , поскольку обе они касаются поведения материалов в масштабе нанометров или меньше. Учитывая весьма фундаментальную природу молекулярных взаимодействий, существует множество потенциальных областей применения, ограниченных, возможно, только воображением и законами физики. Однако некоторые из первых успехов молекулярной инженерии пришлись на области иммунотерапии, синтетической биологии и печатной электроники (см. « Приложения молекулярной инженерии» ).
Молекулярная инженерия — динамичная и развивающаяся область со сложными целевыми задачами; прорывы требуют опытных и творческих инженеров, знакомых со всеми дисциплинами. Рациональная инженерная методология, основанная на молекулярных принципах, контрастирует с широко распространенным подходом проб и ошибок, распространенным 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 манипулирование свойствами системы, используя понимание их химического и физического происхождения. Это часто приводит к появлению принципиально новых материалов и систем, которые необходимы для удовлетворения неотложных потребностей во многих областях: от энергетики до здравоохранения и электроники. Кроме того, с ростом сложности технологий подходы, основанные на методе проб и ошибок, часто становятся дорогостоящими и трудными, поскольку может быть сложно учесть все соответствующие зависимости между переменными в сложная система . Усилия молекулярной инженерии могут включать вычислительные инструменты, экспериментальные методы или их комбинацию.
История [ править ]
Молекулярная инженерия была впервые упомянута в исследовательской литературе в 1956 году Артуром Р. фон Хиппелем , который определил ее как «… новый способ мышления о инженерных проблемах. Вместо того, чтобы брать готовые материалы и пытаться разработать инженерные приложения, соответствующие их макроскопическим свойствам, человек создает материалы из их атомов и молекул для конкретной цели». [1] Эта концепция была отражена в Ричарда Фейнмана 1959 года основополагающей лекции «Там внизу много места» , которая, по общему мнению, положила начало некоторым фундаментальным идеям в области нанотехнологий . Несмотря на раннее введение этих концепций, только в середине 1980-х годов, после публикации книги Машины созидания: грядущая эра нанотехнологий» « Дрекслера , современные концепции нано- и молекулярной науки начали расти в обществе. сознание.
Открытие электропроводящих свойств полиацетилена Аланом Дж. Хигером в 1977 году. [2] эффективно открыл область органической электроники , которая оказалась основой для многих усилий в области молекулярной инженерии. Разработка и оптимизация этих материалов привели к появлению ряда инноваций, включая органические светодиоды и гибкие солнечные элементы .
Приложения [ править ]
Молекулярный дизайн был важным элементом многих научных дисциплин, включая биоинженерию, химическую инженерию, электротехнику, материаловедение, машиностроение и химию. Однако одна из текущих задач заключается в объединении критической массы рабочей силы по различным дисциплинам, чтобы охватить сферу от теории дизайна до производства материалов и от проектирования устройств до разработки продуктов. Таким образом, хотя концепция рационального проектирования технологий снизу вверх не нова, она еще далека от того, чтобы широко воплотиться в научно-исследовательских работах.
Молекулярная инженерия используется во многих отраслях промышленности. Некоторые применения 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 помощью 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 /аккумуляторы)
- Самоочищающиеся поверхности (например, супергидрофобные покрытия )
энергии и хранение Сбор
- Проточные батареи . Синтез молекул для электролитов с высокой плотностью энергии и высокоселективных мембран в сетевых системах хранения энергии. [4]
- Литий-ионные батареи . Создание новых молекул для использования в качестве связующих электродов. [5] [6] электролиты, [7] электролитные добавки, [8] или даже для хранения энергии напрямую [9] [10] [11] чтобы улучшить плотность энергии (с использованием таких материалов, как графен , кремниевые наностержни и металлический литий ), плотность мощности, срок службы и безопасность.
- Солнечные элементы . Разработка новых материалов для более эффективных и экономичных солнечных элементов, включая органических , квантовых точек или перовскитов на основе фотоэлектрические элементы .
- Фотокаталитическое расщепление воды . Улучшение производства водородного топлива с использованием солнечной энергии и современных каталитических материалов, таких как полупроводниковые наночастицы.
инженерия Экологическая
- 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 CO 2 ) адсорбции [14]
Иммунотерапия [ править ]
- Вакцины на основе пептидов (например, макромолекулярные сборки амфифильных пептидов вызывают сильный иммунный ответ) [15]
- Пептидсодержащие биофармацевтические препараты (например, наночастицы , липосомы , полиэлектролитные мицеллы в качестве средств доставки) [16]
биология Синтетическая
- CRISPR — более быстрый и эффективный метод редактирования генов
- Доставка генов / генная терапия . Разработка молекул для доставки модифицированных или новых генов в клетки живых организмов для лечения генетических нарушений.
- Метаболическая инженерия — изменение метаболизма организмов для оптимизации производства химических веществ (например, синтетическая геномика ).
- Белковая инженерия — изменение структуры существующих белков для реализации новых конкретных функций или создание полностью искусственных белков.
- ДНК-функционализированные материалы - 3D-сборки решеток ДНК-сопряженных 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 наноуровне. Сложность молекул, вводимых на поверхность, возрастает, 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 при изучении систем молекулярного масштаба.
и теоретические Вычислительные подходы
- Вычислительная химия
- Высокопроизводительные вычисления
- Молекулярная динамика
- Молекулярное моделирование
- Статистическая механика
- Теоретическая химия
- Топология
Микроскопия [ править ]
- Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
- Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
- Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
характеристика Молекулярная
- Динамическое рассеяние света (ДРС)
- Матричная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) спектроскопия
- Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
- Эксклюзионная хроматография (SEC)
Спектроскопия [ править ]
Наука о поверхности [ править ]
- Оптическая эмиссионная спектрометрия тлеющего разряда
- Времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов (ToF-SIMS)
- Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
Синтетические методы [ править ]
Другие инструменты [ править ]
- Сфокусированный ионный пучок (FIB)
- Профилометр
- УФ-фотоэлектронная спектроскопия (УФС)
- Генерация суммарной частоты колебаний
Исследования/Образование [ править ]
По крайней мере, три университета предлагают ученые степени, посвященные молекулярной инженерии: Чикагский университет , [18] университет Вашингтонский , [19] и Киотский университет . [20] Эти программы представляют собой междисциплинарные институты, в которых работают преподаватели из нескольких исследовательских областей.
Академический журнал Molecular Systems Design & Engineering [21] публикует исследования из самых разных предметных областей, демонстрирующие «стратегию молекулярного проектирования или 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 ]
- ^ фон Хиппель, Артур Р. (1956). «Молекулярная инженерия». Наука . 123 (3191): 315–317. Бибкод : 1956Sci...123..315В . дои : 10.1126/science.123.3191.315 . JSTOR 1750067 . ПМИД 17774519 .
- ^ Чан, КК (1 января 1977 г.). «Электрическая проводимость легированного полиацетилена». Письма о физических отзывах . 39 (17): 1098–1101. Бибкод : 1977PhRvL..39.1098C . doi : 10.1103/PhysRevLett.39.1098 .
- ^ Галло, Иржи; Холинка, Мартин; Муча, Кэлин С. (11 августа 2014 г.). «Антибактериальная обработка поверхности ортопедических имплантатов» . Международный журнал молекулярных наук . 15 (8): 13849–13880. дои : 10.3390/ijms150813849 . ПМК 4159828 . ПМИД 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 .
- ^ Ву, Мингян; Сяо, Синчэн; Вукмирович, Ненад; Сюнь, Шиди; Дас, Продип К.; Сун, Сянюнь; Олальде-Веласко, Пол; Ван, Дундун; Вебер, Адам З. (31 июля 2013 г.). «На пути к созданию идеального полимерного связующего для анодов аккумуляторов большой емкости» . Журнал Американского химического общества . 135 (32): 12048–12056. дои : 10.1021/ja4054465 . ПМИД 23855781 . S2CID 12715155 .
- ^ Чой, Дже Чоль; Ким, Кюман; Чон, Джисон; Чо, Кук Ён; Рё, Мён Хён; Ли, Ён Мин (30 июня 2015 г.). «Высокоадгезионное и растворимое кополиимидное связующее: увеличение срока службы кремниевых анодов в литий-ионных батареях при долгосрочном цикле». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 7 (27): 14851–14858. дои : 10.1021/acsami.5b03364 . ПМИД 26075943 .
- ^ Тан, Ши; Джи, Я Дж.; Чжан, Чжун Р.; Ян, Ён (21 июля 2014 г.). «Последние достижения в исследованиях высоковольтных электролитов для литий-ионных аккумуляторов». ХимияФизХим . 15 (10): 1956–1969. дои : 10.1002/cphc.201402175 . ISSN 1439-7641 . ПМИД 25044525 .
- ^ Чжу, Е; Ли, Ян; Беттдж, Мартин; Авраам, Дэниел П. (1 января 2012 г.). «Пассивация положительного электрода добавкой к электролиту LiDFOB в литий-ионных элементах большой емкости». Журнал Электрохимического общества . 159 (12): А2109–А2117. дои : 10.1149/2.083212jes . ISSN 0013-4651 .
- ^ «Новые ламинарные батареи | Мир печатной электроники» . 18 мая 2007 г. Проверено 06 августа 2016 г.
- ^ Ноками, Тошики; Мацуо, Такахиро; Инатоми, Юу; Ходзё, Нобухико; Цукагоси, Такафуми; Ёсидзава, Хироши; Симидзу, Акихиро; Курамото, Хироки; Комаэ, Кадзутомо (20 ноября 2012 г.). «Полимерсвязанный пирен-4,5,9,10-тетраон для быстрозарядных и разрядных литий-ионных аккумуляторов большой емкости». Журнал Американского химического общества . 134 (48): 19694–19700. дои : 10.1021/ja306663g . ПМИД 23130634 .
- ^ Лян, Яньлян; Чен, Чжихуа; Цзин, Ян; Ронг, Яогуан; Факкетти, Антонио; Яо, Ян (11 апреля 2015 г.). «Сильно n-допируемые π-сопряженные окислительно-восстановительные полимеры со сверхбыстрой способностью накапливать энергию» . Журнал Американского химического общества . 137 (15): 4956–4959. дои : 10.1021/jacs.5b02290 . ПМИД 25826124 .
- ^ Сурваде, Сумед П.; Смирнов Сергей Н.; Власюк, Иван В.; Уночич, Раймонд Р.; Вейт, Габриэль М.; Дай, Шэн; Махурин, Шеннон М. (2015). «Опреснение воды с использованием нанопористого однослойного графена». Природные нанотехнологии . 10 (5): 459–464. Бибкод : 2015НатНа..10..459С . дои : 10.1038/nnano.2015.37 . ОСТИ 1185491 . ПМИД 25799521 .
- ^ Он, Фэн; Чжао, Дуне; Пол, Крис (01 апреля 2010 г.). «Полевая оценка наночастиц железа, стабилизированных карбоксиметилцеллюлозой, для разрушения хлорированных растворителей in situ в зонах источников». Исследования воды . 44 (7): 2360–2370. дои : 10.1016/j.watres.2009.12.041 . ПМИД 20106501 .
- ^ Пелли, Джанет. «Лучшее улавливание углерода с помощью химии | Новости химии и техники» . cen.acs.org . Проверено 06 августа 2016 г.
- ^ Блэк, Мэтью; Трент, Аманда; Костенко Юлия; Ли, Джозеф Сэён; Олив, Коллин; Тиррелл, Мэтью (24 июля 2012 г.). «Самособирающиеся пептидные амфифильные мицеллы, содержащие цитотоксический эпитоп Т-клеток, способствуют защитному иммунному ответу in vivo». Продвинутые материалы . 24 (28): 3845–3849. Бибкод : 2012AdM....24.3845B . дои : 10.1002/adma.201200209 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 22550019 . S2CID 205244562 .
- ^ Акар, Хандан; Тинг, Джеффри М.; Шривастава, Саманвая; ЛаБелль, Джеймс Л.; 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 . ПМИД 28902203 .
- ^ Лекье, Джошуа; Кордова, Андрес; Хинкли, Дэниел; де Пабло, Хуан Дж. (17 августа 2016 г.). «Механический отклик кристаллов ДНК-наночастиц на контролируемую деформацию» . Центральная научная служба ACS . 2 (9): 614–620. doi : 10.1021/accentsci.6b00170 . ISSN 2374-7943 . ПМК 5043426 . ПМИД 27725959 .
- ^ «Институт молекулярной инженерии» . ime.uchicago.edu . Проверено 06 августа 2016 г.
- ^ «Институт молекулярной инженерии и наук» . www.moles.washington.edu . Проверено 06 августа 2016 г.
- ^ «Верхняя страница — Киотский университет, факультет молекулярной инженерии» . www.ml.t.kyoto-u.ac.jp . Проверено 06 августа 2016 г.
- ^ «Проектирование и проектирование молекулярных систем» . Королевское химическое общество. 31 июля 2014 года . Проверено 6 августа 2016 г.
