Molekulární inženýrství - Molecular engineering

Molekulární inženýrství je rozvíjející se obor zabývající se návrhem a testováním molekulárních vlastností, chování a interakcí za účelem sestavení lepších materiálů, systémů a procesů pro specifické funkce. Tento přístup, ve kterém jsou pozorovatelné vlastnosti makroskopického systému ovlivněny přímou změnou molekulární struktury, spadá do širší kategorie Design „zdola nahoru“.

Molekulární inženýrství se zabývá snahami o vývoj materiálů v nově vznikajících technologiích, které vyžadují přísné racionální přístupy molekulárního designu k systémům vysoké složitosti.

Molekulární inženýrství je ze své podstaty vysoce interdisciplinární a zahrnuje aspekty chemické inženýrství, věda o materiálech, bioinženýrství, elektrotechnika, fyzika, strojírenství, a chemie. Existuje také značné překrývání s nanotechnologie, protože oba se zabývají chováním materiálů na měřítku nanometrů nebo menších. Vzhledem k velmi základní povaze molekulárních interakcí existuje celá řada potenciálních aplikačních oblastí, omezených snad jen představivostí člověka a zákony fyziky. Některé z raných úspěchů molekulárního inženýrství však přišly v oblasti imunoterapie, syntetické biologie a tisknutelné elektroniky (viz aplikace molekulárního inženýrství ).

Molekulární inženýrství je dynamické a vyvíjející se pole se složitými cílovými problémy; průlomy vyžadují sofistikované a kreativní inženýry, kteří ovládají různé obory. Racionální inženýrská metodologie, která je založena na molekulárních principech, je v kontrastu s rozšířenými přístupy pokus-omyl, které jsou běžné v technických oborech. Spíše než se spoléhat na dobře popsané, ale špatně pochopené empirické korelace mezi složením systému a jeho vlastnostmi, přístup molekulárního designu se snaží manipulovat s vlastnostmi systému přímo pomocí porozumění jejich chemickému a fyzickému původu. To často vede k zásadně novým materiálům a systémům, které jsou nutné k řešení vynikajících potřeb v mnoha oblastech, od energetiky přes zdravotnictví až po elektroniku. Se zvýšenou propracovaností technologie jsou přístupy pokusu a omylu často nákladné a obtížné, protože může být obtížné zohlednit všechny relevantní závislosti mezi proměnnými v složitý systém. Úsilí v oblasti molekulárního inženýrství může zahrnovat výpočetní nástroje, experimentální metody nebo kombinaci obou.

Dějiny

Molekulární inženýrství bylo poprvé zmíněno ve výzkumné literatuře v roce 1956 autorem Arthur R. von Hippel, který jej definoval jako „… nový způsob uvažování o technických problémech. Místo toho, aby bral prefabrikované materiály a snažil se navrhovat inženýrské aplikace v souladu s jejich makroskopickými vlastnostmi, člověk staví materiály z jejich atomů a molekul pro daný účel.“[1] Tento koncept byl ozvěnou Richard Feynman klíčová přednáška z roku 1959 Dole je spousta místa, který je široce považován za rodící některé ze základních myšlenek oblasti nanotechnologie. Navzdory časnému zavedení těchto konceptů to bylo až v polovině 80. let 20. století se zveřejněním Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology podle Drexler že moderní povědomí o nano a molekulárním měřítku začalo růst ve veřejném povědomí.

Objev elektricky vodivých vlastností v polyacetylen podle Alan J. Heeger v roce 1977[2] účinně otevřel pole organická elektronika, který se ukázal jako základ pro mnoho snah o molekulární inženýrství. Design a optimalizace těchto materiálů vedly k řadě inovací včetně organické světelné diody a flexibilní solární články.

Aplikace

Molekulární design je důležitým prvkem mnoha vědních oborů, včetně bioinženýrství, chemického inženýrství, elektrotechniky, materiálových věd, strojírenství a chemie. Jedním z přetrvávajících úkolů je však spojit kritické množství pracovní síly mezi disciplínami, aby se rozprostřela oblast od teorie designu po výrobu materiálů a od návrhu zařízení po vývoj produktu. Ačkoli tedy koncept racionálního inženýrství technologie zdola nahoru není nový, stále není zdaleka široce převeden do úsilí v oblasti výzkumu a vývoje.

Molekulární inženýrství se používá v mnoha průmyslových odvětvích. Některé aplikace technologií, kde molekulární inženýrství hraje zásadní roli:

Spotřební zboží

  • Antibiotické povrchy (např. Zabudování nanočástic stříbra nebo antibakteriálních peptidů do povlaků, aby se zabránilo mikrobiální infekci)[3]
  • Kosmetika (např. Reologická modifikace s malými molekulami a povrchově aktivními látkami v šamponu)
  • Čisticí prostředky (např. nanosilver v pracím prostředku)
  • Spotřební elektronika (např. Displeje s organickými světelnými diodami (OLED))
  • Elektrochromní okna (např. okna v Boeing 787 Dreamliner )
  • Vozidla s nulovými emisemi (např. Vyspělá palivové články / baterie)
  • Samočisticí povrchy (např. Super hydrofobní povrchové nátěry )

Sklizeň energie a Úložný prostor

Environmentální inženýrství

  • Odsolování vody (např. nové membrány pro vysoce účinné nízkonákladové odstraňování iontů)[12]
  • Sanace půdy (např. Katalytické nanočástice, které urychlují degradaci kontaminantů s dlouhou životností v půdě, jako jsou chlorované organické sloučeniny)[13]
  • Sekvestrace uhlíku (např. Nové materiály pro CO2 adsorpce)[14]

Imunoterapie

  • Vakcíny na bázi peptidů (např. Makromolekulární skupiny amfifilních peptidů indukují silnou imunitní odpověď)[15]
  • Peptid obsahující biofarmaka (např. Nanočástice, liposomy, polyelektrolytické micely jako nosiče)[16]

Syntetická biologie

  • CRISPR - Rychlejší a efektivnější technika úpravy genů
  • Dodání genů /genová terapie - Navrhování molekul pro dodávání modifikovaných nebo nových genů do buněk živých organismů k léčbě genetických poruch
  • Metabolické inženýrství - Modifikace metabolismu organismů za účelem optimalizace produkce chemických látek (např. syntetická genomika )
  • Proteinové inženýrství - Změna struktury stávajících proteinů za účelem umožnění konkrétních nových funkcí nebo tvorba plně umělých proteinů
  • Materiály funkcionalizované DNA - 3D sestavy mřížek nanočástic konjugovaných s DNA[17]

Použité techniky a nástroje

Molekulární inženýři využívají sofistikované nástroje a nástroje k vytváření a analýze interakcí molekul a povrchů materiálů v molekulárním a nano měřítku. Složitost molekul zaváděných na povrch se zvyšuje a techniky používané k analýze povrchových charakteristik na molekulární úrovni se neustále mění a zlepšují. Mezitím pokrok ve vysoce výkonných počítačích výrazně rozšířil využití počítačové simulace při studiu systémů v molekulárním měřítku.

Výpočtové a teoretické přístupy

Vědec EMSL používající elektronový mikroskop pro přenos prostředí v Pacific Northwest National Laboratory. ETEM poskytuje funkce in situ, které umožňují zobrazování atomového rozlišení a spektroskopické studie materiálů za dynamických provozních podmínek. Na rozdíl od tradičního provozu TEM za vysokého vakua umožňuje ETMS společnosti EMSL jedinečně zobrazování v prostředí s vysokou teplotou a plynem.

Mikroskopie

Molekulární charakterizace

Spektroskopie

Věda o povrchu

Syntetické metody

Další nástroje

Výzkum / vzdělávání

Nejméně tři univerzity nabízejí postgraduální tituly zaměřené na molekulární inženýrství: University of Chicago,[18] the University of Washington,[19] a Kjótská univerzita.[20] Tyto programy jsou interdisciplinární instituty s fakultou z několika oblastí výzkumu.

Akademický časopis Molecular Systems Design & Engineering[21] publikuje výzkum z nejrůznějších oborů, který demonstruje „strategii molekulárního designu nebo optimalizace zaměřenou na funkčnost a výkon konkrétních systémů.“

Viz také

Obecná témata

Reference

  1. ^ von Hippel, Arthur R (1956). "Molekulární inženýrství". Věda. 123 (3191): 315–317. doi:10.1126 / science.123.3191.315. JSTOR  1750067. PMID  17774519.
  2. ^ Chiang, C. K. (01.01.1977). "Elektrická vodivost v dopovaném polyacetylenu". Dopisy o fyzické kontrole. 39 (17): 1098–1101. Bibcode:1977PhRvL..39.1098C. doi:10.1103 / PhysRevLett.39.1098.
  3. ^ Gallo, Jiří; Holinka, Martin; Moucha, Calin S. (11.08.2014). "Antibakteriální povrchová úprava pro ortopedické implantáty". International Journal of Molecular Sciences. 15 (8): 13849–13880. doi:10,3390 / ijms150813849. PMC  4159828. PMID  25116685.
  4. ^ Huang, Jinhua; Su, Liang; Kowalski, Jeffrey A .; Barton, John L .; Ferrandon, Magali; Burrell, Anthony K .; Brushett, Fikile R .; Zhang, Lu (2015-07-14). „Subtraktivní přístup k molekulárnímu inženýrství redoxních materiálů na bázi dimethoxybenzenu pro nevodné průtokové baterie“. J. Mater. Chem. A. 3 (29): 14971–14976. doi:10.1039 / c5ta02380g. ISSN  2050-7496.
  5. ^ Wu, Mingyan; Xiao, Xingcheng; Vukmirovic, Nenad; Xun, Shidi; Das, Prodip K .; Song, Xiangyun; Olalde-Velasco, Paul; Wang, Dongdong; Weber, Adam Z. (2013-07-31). „Směrem k ideální konstrukci polymerního pojiva pro vysokokapacitní anody baterií“. Journal of the American Chemical Society. 135 (32): 12048–12056. doi:10.1021 / ja4054465. PMID  23855781.
  6. ^ Choi, Jaecheol; Kim, Kyuman; Jeong, Jiseon; Cho, Kuk Young; Ryou, Myung-Hyun; Lee, Yong Min (2015-06-30). „Vysoce přilnavé a rozpustné kopolyimidové pojivo: Zlepšení dlouhodobé životnosti křemíkových anod v lithium-iontových bateriích“. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (27): 14851–14858. doi:10.1021 / acsami.5b03364. PMID  26075943.
  7. ^ Tan, Shi; Ji, Ya J .; Zhang, Zhong R .; Yang, Yong (2014-07-21). „Nedávný pokrok ve výzkumu vysokonapěťových elektrolytů pro lithium-iontové baterie“. ChemPhysChem. 15 (10): 1956–1969. doi:10.1002 / cphc.201402175. ISSN  1439-7641. PMID  25044525.
  8. ^ Zhu, Ye; Li, Yan; Bettge, Martin; Abraham, Daniel P. (01.01.2012). "Pozitivní pasivace elektrod pomocí přísady elektrolytů LiDFOB ve vysokokapacitních lithium-iontových článcích". Journal of the Electrochemical Society. 159 (12): A2109 – A2117. doi:10.1149 / 2.083212jes. ISSN  0013-4651.
  9. ^ „Nové laminární baterie | Svět tištěné elektroniky“. 2007-05-18. Citováno 2016-08-06.
  10. ^ Nokami, Toshiki; Matsuo, Takahiro; Inatomi, Yuu; Hojo, Nobuhiko; Tsukagoshi, Takafumi; Yoshizawa, Hiroshi; Shimizu, Akihiro; Kuramoto, Hiroki; Komae, Kazutomo (2012-11-20). „Polymerem vázaný pyren-4,5,9,10-tetraon pro rychlé nabíjení a vybíjení lithium-iontových baterií s vysokou kapacitou“. Journal of the American Chemical Society. 134 (48): 19694–19700. doi:10.1021 / ja306663g. PMID  23130634.
  11. ^ Liang, Yanliang; Chen, Zhihua; Jing, Yan; Rong, Yaoguang; Facchetti, Antonio; Yao, Yan (2015-04-11). „Silně n-dopovatelné π-konjugované redoxní polymery s ultrarychlou schopností skladování energie“. Journal of the American Chemical Society. 137 (15): 4956–4959. doi:10.1021 / jacs.5b02290. PMID  25826124.
  12. ^ Surwade, Sumedh P .; Smirnov, Sergei N .; Vlassiouk, Ivan V .; Unocic, Raymond R .; Veith, Gabriel M .; Dai, Sheng; Mahurin, Shannon M. (2015). "Odsolování vody pomocí nanoporézního jednovrstvého grafenu". Přírodní nanotechnologie. 10 (5): 459–464. Bibcode:2015NatNa..10..459S. doi:10.1038 / nnano.2015.37. OSTI  1185491. PMID  25799521.
  13. ^ On, Feng; Zhao, Dongye; Paul, Chris (01.04.2010). "Terénní hodnocení karboxymethylcelulózy stabilizovaných nanočástic železa pro in situ destrukci chlorovaných rozpouštědel ve zdrojových zónách". Vodní výzkum. 44 (7): 2360–2370. doi:10.1016 / j.watres.2009.12.041. PMID  20106501.
  14. ^ Pelley, Janet. "Lepší zachycování uhlíku chemií | Chemické a technické novinky". cen.acs.org. Citováno 2016-08-06.
  15. ^ Black, Matthew; Trent, Amanda; Kostenko, Julia; Lee, Joseph Saeyong; Olive, Colleen; Tirrell, Matthew (2012-07-24). „Samo-sestavené peptidové amfifilní micely obsahující cytotoxický T-buněčný epitop podporují ochrannou imunitní reakci in vivo“. Pokročilé materiály. 24 (28): 3845–3849. doi:10.1002 / adma.201200209. ISSN  1521-4095. PMID  22550019.
  16. ^ Acar, Handan; Ting, Jeffrey M .; Srivastava, Samanvaya; LaBelle, James L .; Tirrell, Matthew V. (2017). "Řešení molekulárního inženýrství pro dodávání terapeutických peptidů". Recenze chemické společnosti. 46 (21): 6553–6569. doi:10.1039 / C7CS00536A. ISSN  0306-0012. PMID  28902203.
  17. ^ Lequieu, Joshua; Córdoba, Andrés; Hinckley, Daniel; de Pablo, Juan J. (2016-08-17). „Mechanická reakce krystalů DNA – nanočástic na řízenou deformaci“. ACS Central Science. 2 (9): 614–620. doi:10,1021 / acscentsci.6b00170. ISSN  2374-7943. PMC  5043426. PMID  27725959.
  18. ^ "Ústav pro molekulární inženýrství". ime.uchicago.edu. Citováno 2016-08-06.
  19. ^ „Ústav molekulárního inženýrství a věd“. www.moles.washington.edu. Citováno 2016-08-06.
  20. ^ "Hlavní stránka - Kjótská univerzita, Katedra molekulárního inženýrství". www.ml.t.kyoto-u.ac.jp. Citováno 2016-08-06.
  21. ^ "Návrh a inženýrství molekulárních systémů". Royal Society of Chemistry. 31. července 2014. Citováno 6. srpna 2016.