Кіріспе
Молекулалық қасиеттерді зерттеу саласы Молекулалық инженерия – нақты функцияларды атқару үшін жақсырақ материалдар, жүйелер және процестер құру мақсатында молекулалық қасиеттерді, мінез-құлқы мен өзара әрекеттесуді жобалау және сынаумен айналысатын, дамып келе жатқан зерттеу саласы. Бұл тәсілде макроскопиялық жүйенің байқалатын қасиеттері молекулалық құрылымды тікелей өзгерту арқылы әсер етеді, бұл «төменнен жоғары» деп аталатын кеңірек санатқа жатады. Молекулалық инженерия өзінің мәні бойынша жоғары деңгейдегі пәнаралық болып табылады және химиялық инженерия, материалтану, биоинженерия, электр инженериясы, физика, механикалық инженерия және химия аспектілерін қамтиды. Нанотехнологиямен де маңызды байланыс бар, себебі екеуі де нанометрлерден немесе одан да кішкентай өлшемдердегі материалдардың мінез-құлқымен айналысады. Молекулалық өзара әрекеттесудің өте маңызды мәнін ескере отырып, қолдану салаларының саны шексіз, бұл тек адамның қиялымен және физика заңдарымен ғана шектеледі. Дегенмен, молекулалық инженерияның алғашқы табыстары иммунотерапия, синтетикалық биология және басып шығаруға болатын электроника салаларында болды (молекулалық инженерияның қолданылуына қараңыз). Молекулалық инженерия – күрделі міндеттерге ие, динамикалық және дамып келе жатқан сала; жаңа жаңалықтарға жете алу үшін түрлі салаларда білімі бар, күрделі және шығармашылық инженерлер қажет. Молекулалық принциптерге негізделген рационалды инженериялық әдістеме, инженерлік салаларда кең таралған, сынақ пен қателік әдістеріне қарсы келеді. Жүйенің құрамы мен оның қасиеттері арасындағы жақсы сипатталған, бірақ толық түсінілмеген эмпирикалық байланыстарға сүйенудің орнына, молекулалық дизайн тәсілі олардың химиялық және физикалық себептерін түсіну арқылы жүйелік қасиеттерді тікелей өзгертуге тырысады. Бұл көбінесе энергия, денсаулық сақтау және электроника сияқты көптеген салалардағы қажеттіліктерді қанағаттандыру үшін қажет болатын жаңа материалдар мен жүйелерді тудырады. Сонымен қатар, технологияның жетілуіне байланысты, сынақ-қате әдістері көбінесе қымбатқа соғады және күрделі жүйедегі айнымалылар арасындағы барлық маңызды тәуелділіктерді ескеру қиын болғандықтан, оларды жүргізу қиын болуы мүмкін. Молекулалық инженерияға есептеу құралдары, эксперименталды әдістер немесе олардың үйлесімі кіруі мүмкін.
Molecular engineering is an emerging field of study concerned with the design and testing of molecular properties, behavior and interactions in order to assemble better materials, systems, and processes for specific functions. This approach, in which observable properties of a macroscopic system are influenced by direct alteration of a molecular structure, falls into the broader category of “bottom up” design. Molecular engineering is highly interdisciplinary by nature, encompassing aspects of chemical engineering, materials science, bioengineering, electrical engineering, physics, mechanical engineering, and chemistry. There is also considerable overlap with nanotechnology, in that both are concerned with the behavior of materials on the scale of nanometers or smaller. Given the highly fundamental nature of molecular interactions, there are a plethora of potential application areas, limited perhaps only by one's imagination and the laws of physics. However, some of the early successes of molecular engineering have come in the fields of immunotherapy, synthetic biology, and printable electronics (see molecular engineering applications). Molecular engineering is a dynamic and evolving field with complex target problems; breakthroughs require sophisticated and creative engineers who are conversant across disciplines. A rational engineering methodology that is based on molecular principles is in contrast to the widespread trial and error approaches common throughout engineering disciplines. Rather than relying on well described but poorly understood empirical correlations between the makeup of a system and its properties, a molecular design approach seeks to manipulate system properties directly using an understanding of their chemical and physical origins. This often gives rise to fundamentally new materials and systems, which are required to address outstanding needs in numerous fields, from energy to healthcare to electronics. Additionally, with the increased sophistication of technology, trial and error approaches are often costly and difficult, as it may be difficult to account for all relevant dependencies among variables in a complex system. Molecular engineering efforts may include computational tools, experimental methods, or a combination of both.
Тарих
Молекулалық инженерия алғаш рет 1956 жылы Артур Р. фон Гиппельдің ғылыми әдебиетте жариялаған еңбегінде айтылды, ол оны "инженерлік мәселелерді шешуге қатысты жаңа ойлау жолы" деп түсіндірді. Дайын материалдарды алып, олардың макроскопиялық қасиеттеріне сәйкес инженерлік қолданыстарды табуға тырысудың орнына, материалдар қолданысқа қарай атомдары мен молекулаларынан құрастырылады. Бұл идея Ричард Фейнманның 1959 жылғы "Төменде кеңістік көп" атты маңызды лекциясында да көтерілді, ол нанотехнология саласындағы негізгі ойлардың тууына себепкер болды деп саналады. Осы ұғымдар ерте кезеңде ұсынылса да, нано және молекулалық деңгейдегі ғылымның қазіргі түсініктері 1980 жылдардың ортасында Дрекслердің "Жаратылыс машиналарын жасау: Нанотехнологияның болашақ дәуірі" атты кітабы жарық көргеннен кейін ғана кеңінен таныла бастады. 1977 жылы Алан Хизердің полиацетиленнің электр өткізгіш қасиеттерін ашқандығы органикалық электроника саласын дамытуға ықпал етті, бұл сала көптеген молекулалық инженериялық жұмыстардың негізі болды. Бұл материалдарды жобалау және оңтайландыру нәтижесінде органикалық жарықдиодтар және икемді күн панельдері сияқты бірқатар жаңалықтар пайда болды.
Қолданбалар
Молекулалық дизайн биоинженерия, химиялық инженерия, электр инженериясы, материалдар ғылымы, машина жасау және химия сияқты академиялық көптеген пәндердің маңызды құралы болып табылады. Дегенмен, тұрақты мәселелердің бірі – жобалау теориясынан материалдар өндірісіне, ал құрылғы жобалаудан өнімдерді әзірлеуге дейінгі салаларды қамтитын, пәнаралық кадрлық потенциалды біріктіру болып табылады. Сондықтан, технологияны «төменнен жоғарыға» қарай рационалды инженериялау тұжырымдамасы жаңа емес болғанымен, ол әлі де ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстарға кеңінен енгізілмеген. Молекулалық инженерия көптеген индустрияларда қолданылады. Молекулалық инженерияның маңызды рөл атқаратын технологияларының мысалдары:
Тұтыну өнімдері
Антибиотикалық беттер (мысалы, микробтық инфекцияны болдырмау үшін күміс нанобөлшектерін немесе антибактериялық пептидтерді жабындарға енгізу)
Косметика (мысалы, шампуньдегі кіші молекулалар мен беттік белсенді заттар арқылы реологиялық өзгерту)
Тазалау өнімдері (мысалы, кір жуғыш ұнтақтағы нанокүміс)
Тұтыну электроникасы (мысалы, органикалық жарықдиодты дисплейлер (OLED))
Электрохромды терезелер (мысалы, Boeing 787 Dreamliner ұшағындағы терезелер)
Нөлдік эмиссиялық көліктер (мысалы, жаңа буын отын элементтері/аккумуляторлар)
Өзін-өзі тазартатын беттер (мысалы, суды тегіс сырғытатын жабындар)
Cosmetics (e. g. rheological modification with small molecules and surfactants in shampoo)
Cleaning products (e. g. nanosilver in laundry detergent)
Consumer electronics (e. g. organic light emitting diode displays (OLED))
Electrochromic windows (e. g. windows in the Boeing 787 Dreamliner)
Zero emission vehicles (e. g. advanced fuel cells/batteries)
Self cleaning surfaces (e. g. super hydrophobic surface coatings)
Қоршаған ортаны қорғау
Суды тұщыландыру (мысалы, иондарды өте тиімді және төмен құнмен жоюға арналған жаңа мембраналар)
Топырақты қалпына келтіру (мысалы, хлорланған органикалық қосылыстар сияқты ұзақ сақталатын топырақ ластаушыларын ыдыратуды жеделдететін каталитикалық нанобөлшектер)
Көміртекті секвестрлеу (мысалы, CO2-ні сіңіруге арналған жаңа материалдар)
Soil remediation (e. g. catalytic nanoparticles that accelerate the degradation of long lived soil contaminants such as chlorinated organic compounds)
Carbon sequestration (e. g. new materials for CO2 adsorption)
Иммунотерапия
Пептидтік вакциналар (мысалы, амфифильді пептидтік макромолекулалық құралымдар күшті иммундық жауапты қоздырады)
Пептидтерді қамтитын биофармацевтикалық препараттар (мысалы, жеткізу құралдары ретінде нанобөлшектер, липосомалар, полиэлектролит мицеллалары)
Peptide containing biopharmaceuticals (e. g. nanoparticles, liposomes, polyelectrolyte micelles as delivery vehicles)
Қолданылған техникалар мен құралдар
Молекулалық инженерлер молекулалардың және материалдардың беттерінің молекулалық және нано деңгейіндегі өзара әрекеттесуін жасау және талдау үшін күрделі құралдар мен аспаптарды қолданады. Бетке енгізілетін молекулалардың күрделілігі артып келеді, ал молекулалық деңгейде беттік қасиеттерді талдауға қолданылатын техникалар үздіксіз өзгеріп, жақсарып жатыр. Сонымен қатар, жоғары өнімді есептеулердің жетістіктері молекулалық масштабтағы жүйелерді зерттеуде компьютерлік модельдеуді кеңінен қолдануға мүмкіндік берді.
Ғылыми-зерттеу / Білім беру
Кем дегенде үш университет молекулалық инженерияға арналған магистратура бағдарламаларын ұсынады: Чикаго университеті, Вашингтон университеті және Киото университеті. Бұл бағдарламалар – бірнеше ғылыми-зерттеу салаларынан оқытушылар құрамы бар салааралық институттар. "Молекулалық жүйелерді жобалау және инженерия" ғылыми журналы, белгілі бір жүйелердің функционалдығы мен өнімділігіне бағытталған молекулалық жобалау немесе оптимизациялау стратегиясын көрсететін, әртүрлі тақырыптар бойынша зерттеулер жариялайды.