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.
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.
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)
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)
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)
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
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).
Peptide containing biopharmaceuticals (e. g. nanoparticles, liposomes, polyelectrolyte micelles as delivery vehicles)
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".