Введение

Молекулярная инженерия – это развивающаяся область исследований, посвященная проектированию и тестированию молекулярных свойств, поведения и взаимодействий с целью создания более совершенных материалов, систем и процессов для выполнения конкретных функций. Этот подход, при котором на наблюдаемые свойства макроскопической системы влияют посредством прямого изменения молекулярной структуры, относится к более широкой категории «дизайна снизу вверх». Молекулярная инженерия по своей сути является высокомеждисциплинарной областью, охватывающей аспекты химической инженерии, материаловедения, биоинженерии, электротехники, физики, машиностроения и химии. Существует также значительное пересечение с нанотехнологиями, поскольку обе они изучают поведение материалов в масштабе нанометров и меньше. Учитывая фундаментальный характер молекулярных взаимодействий, существует множество потенциальных областей применения, ограниченных, возможно, лишь воображением и законами физики. Однако одними из первых успехов молекулярной инженерии стали достижения в области иммунотерапии, синтетической биологии и печатной электроники (см. Приложения молекулярной инженерии). Молекулярная инженерия – это динамично развивающаяся область, решающая сложные задачи; для прорывов требуются квалифицированные и творческие инженеры, обладающие знаниями в различных дисциплинах. Рациональная инженерная методология, основанная на молекулярных принципах, противопоставляется широко распространенным методам проб и ошибок, характерным для большинства инженерных дисциплин. Вместо того чтобы полагаться на хорошо описанные, но недостаточно понятные эмпирические зависимости между составом системы и ее свойствами, подход молекулярного проектирования стремится непосредственно управлять свойствами системы, опираясь на понимание их химических и физических основ. Это часто приводит к созданию принципиально новых материалов и систем, необходимых для удовлетворения актуальных потребностей в различных областях, от энергетики до здравоохранения и электроники. Кроме того, с повышением сложности технологий методы проб и ошибок часто становятся дорогостоящими и затруднительными, поскольку сложно учесть все существенные взаимосвязи между переменными в сложной системе. В рамках молекулярно-инженерных усилий могут использоваться вычислительные инструменты, экспериментальные методы или их комбинация.

История

Молекулярная инженерия была впервые упомянута в научной литературе в 1956 году Артуром Р. фон Гиппелем, который определил её как "новый подход к решению инженерных задач. Вместо использования готовых материалов и попыток найти для них инженерные применения, соответствующие их макроскопическим свойствам, следует создавать материалы из атомов и молекул для достижения конкретной цели". Эта идея нашла отражение в основополагающей лекции Ричарда Фейнмана 1959 года «Внизу ещё много места», которую часто считают отправной точкой для формирования фундаментальных идей в области нанотехнологий. Несмотря на раннее появление этих концепций, современное понимание нано- и молекулярной науки стало широко распространяться лишь в середине 1980-х годов после публикации книги Дрекслера «Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology». Открытие электропроводящих свойств полиацетилена Аланом Хизером в 1977 году фактически открыло область органической электроники, которая стала основой для многих разработок в области молекулярной инженерии. Проектирование и оптимизация этих материалов привели к ряду инноваций, включая органические светодиоды и гибкие солнечные батареи.

Приложения

Молекулярный дизайн является важным элементом многих дисциплин в академической среде, включая биоинженерию, химическую инженерию, электротехнику, материаловедение, машиностроение и химию. Однако одной из постоянных проблем является объединение достаточного количества специалистов из разных областей, чтобы охватить весь спектр – от теории проектирования до производства материалов и от разработки устройств до создания готовой продукции. Таким образом, хотя концепция рациональной разработки технологий «снизу вверх» не нова, она все еще редко находит широкое применение в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах. Молекулярная инженерия используется во многих отраслях промышленности. Некоторые области применения технологий, в которых молекулярная инженерия играет ключевую роль:

Потребительские товары

Антибиотические поверхности (например, включение наночастиц серебра или антибактериальных пептидов в покрытия для предотвращения микробной инфекции)
Косметика (например, реологическая модификация с использованием малых молекул и поверхностно-активных веществ в шампунях)
Моющие средства (например, наносеребро в стиральных порошках)
Потребительская электроника (например, органические светоизлучающие диоды (OLED))
Электрохромные окна (например, окна в Boeing 787 Dreamliner)
Транспортные средства с нулевым уровнем выбросов (например, передовые топливные элементы/аккумуляторы)
Самоочищающиеся поверхности (например, сверхгидрофобные покрытия)

Инженерные технологии окружающей среды

Обезсоливание воды (например, новые мембраны для высокоэффективного и недорогого удаления ионов)
Восстановление почв (например, каталитические наночастицы, ускоряющие разложение стойких загрязнителей почвы, таких как хлорированные органические соединения)
Секвестрация углерода (например, новые материалы для адсорбции CO2)

Иммунотерапия

Вакцины на основе пептидов (например, амфифильные пептидные макромолекулярные комплексы индуцируют выраженный иммунный ответ).
Биофармацевтические препараты, содержащие пептиды (например, наночастицы, липосомы, полиэлектролитные мицеллы в качестве средств доставки).

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, внедряемых на поверхность, возрастает, а методы анализа характеристик поверхности на молекулярном уровне постоянно совершенствуются и развиваются. В то же время, достижения в области высокопроизводительных вычислений значительно расширили возможности применения компьютерного моделирования при изучении систем молекулярного масштаба.

Научные исследования / Образование

По крайней мере, три университета предлагают степени магистра, специализирующиеся на молекулярной инженерии: Чикагский университет, Вашингтонский университет и Киотский университет. Эти программы представляют собой междисциплинарные институты с участием преподавателей из различных областей исследований. В академическом журнале Molecular Systems Design & Engineering публикуются исследования из широкого спектра дисциплин, демонстрирующие "стратегию молекулярного дизайна или оптимизации, направленную на достижение конкретных функциональных характеристик и производительности систем".