Moleküler mühendislik - Molecular engineering

Moleküler mühendislik , belirli işlevler için daha iyi malzemeler, sistemler ve süreçler bir araya getirmek amacıyla moleküler özelliklerin, davranışların ve etkileşimlerin tasarımı ve test edilmesiyle ilgili gelişmekte olan bir çalışma alanıdır. Bir makroskopik sistemin gözlemlenebilir özelliklerinin moleküler yapının doğrudan değiştirilmesinden etkilendiği bu yaklaşım, daha geniş "aşağıdan yukarıya" tasarım kategorisine girer .

Moleküler mühendislik, yüksek karmaşıklıktaki sistemlere yönelik titiz rasyonel moleküler tasarım yaklaşımları gerektiren gelişen teknolojilerdeki malzeme geliştirme çabalarıyla ilgilenir.

Moleküler mühendislik, kimya mühendisliği , malzeme bilimi , biyomühendislik , elektrik mühendisliği , fizik , makine mühendisliği ve kimyanın yönlerini kapsayan doğası gereği oldukça disiplinlerarasıdır . Ayrıca nanoteknoloji ile önemli bir örtüşme vardır, çünkü her ikisi de malzemelerin nanometre veya daha küçük ölçekteki davranışlarıyla ilgilidir. Moleküler etkileşimlerin son derece temel doğası göz önüne alındığında, belki de yalnızca kişinin hayal gücü ve fizik yasalarıyla sınırlı olan çok sayıda potansiyel uygulama alanı vardır. Bununla birlikte, moleküler mühendisliğin ilk başarılarından bazıları immünoterapi, sentetik biyoloji ve yazdırılabilir elektronik alanlarında gelmiştir (bkz. moleküler mühendislik uygulamaları ).

Moleküler mühendislik, karmaşık hedef problemleri olan dinamik ve gelişen bir alandır; atılımlar, disiplinler arası bilgi sahibi, sofistike ve yaratıcı mühendisler gerektirir. Moleküler ilkelere dayanan rasyonel bir mühendislik metodolojisi, mühendislik disiplinlerinde yaygın olan yaygın deneme-yanılma yaklaşımlarının aksinedir. Moleküler tasarım yaklaşımı, bir sistemin yapısı ve özellikleri arasındaki iyi tanımlanmış fakat yeterince anlaşılmamış deneysel korelasyonlara güvenmek yerine, kimyasal ve fiziksel kökenlerini anlayarak sistem özelliklerini doğrudan manipüle etmeye çalışır. Bu genellikle, enerjiden sağlık hizmetlerine ve elektroniğe kadar birçok alanda olağanüstü ihtiyaçları karşılamak için gerekli olan temelde yeni malzeme ve sistemlerin ortaya çıkmasına neden olur. Ek olarak, teknolojinin artan karmaşıklığı ile, karmaşık bir sistemdeki değişkenler arasındaki tüm ilgili bağımlılıkları hesaba katmak zor olabileceğinden, deneme-yanılma yaklaşımları genellikle maliyetli ve zordur . Moleküler mühendislik çabaları, hesaplama araçlarını, deneysel yöntemleri veya her ikisinin bir kombinasyonunu içerebilir.

Tarih

Moleküler mühendislik araştırma literatüründe ilk kez 1956 yılında Arthur R. von Hippel tarafından "... eldeki amaç için atomlarından ve moleküllerinden malzemeler inşa eder." Bu kavram, Richard Feynman'ın 1959'da yaptığı ve nanoteknoloji alanındaki bazı temel fikirleri doğurduğu yaygın olarak kabul edilen There's Plenty of Room at the Bottom'daki ufuk açıcı konferansında yankılandı . Bu kavramların erken giriş rağmen, yayınlanması ile 1980'lerin ortalarına kadar değildi Nanoteknoloji Coming Era: Yaratılış Motorları tarafından Drexler'da nano ve moleküler ölçekli bilimin çağdaş kavramlar kamuda büyümeye başladı bilinç.

1977'de Alan J. Heeger tarafından poliasetilende elektriksel olarak iletken özelliklerin keşfi, birçok moleküler mühendislik çalışması için temel teşkil eden organik elektronik alanını etkin bir şekilde açtı . Bu malzemelerin tasarımı ve optimizasyonu, organik ışık yayan diyotlar ve esnek güneş pilleri dahil olmak üzere bir dizi yeniliğe yol açmıştır .

Uygulamalar

Moleküler tasarım, biyomühendislik, kimya mühendisliği, elektrik mühendisliği, malzeme bilimi, makine mühendisliği ve kimya dahil olmak üzere akademideki birçok disiplinin önemli bir unsuru olmuştur. Bununla birlikte, devam eden zorluklardan biri, tasarım teorisinden malzeme üretimine ve cihaz tasarımından ürün geliştirmeye kadar olan alanı kapsayacak şekilde disiplinler arasındaki kritik insan gücü kitlesini bir araya getirmektir. Bu nedenle, aşağıdan yukarıya teknolojinin rasyonel mühendisliği kavramı yeni olmasa da, geniş çapta Ar-Ge çabalarına çevrilmekten hala çok uzaktır.

Moleküler mühendislik birçok endüstride kullanılmaktadır. Moleküler mühendisliğin kritik bir rol oynadığı teknolojilerin bazı uygulamaları:

Tüketici ürünleri

  • Antibiyotik yüzeyler (örneğin, mikrobiyal enfeksiyonu önlemek için kaplamalara gümüş nanoparçacıkların veya antibakteriyel peptitlerin dahil edilmesi)
  • Kozmetikler (örn. şampuandaki küçük moleküller ve yüzey aktif maddelerle reolojik modifikasyon)
  • Temizlik ürünleri (örneğin çamaşır deterjanında nanogümüş )
  • Tüketici elektroniği (ör. organik ışık yayan diyot ekranlar (OLED))
  • Elektrokromik pencereler (örneğin Boeing 787 Dreamliner'daki pencereler )
  • Sıfır emisyonlu araçlar (örn. gelişmiş yakıt hücreleri /piller)
  • Kendi kendini temizleyen yüzeyler (örn. süper hidrofobik yüzey kaplamaları )

Enerji Hasadı ve Depolama

Çevre Mühendisliği

  • Suyun tuzdan arındırılması (örneğin, yüksek verimli düşük maliyetli iyon giderme için yeni membranlar)
  • Toprak iyileştirme (örneğin, klorlu organik bileşikler gibi uzun ömürlü toprak kirleticilerinin bozulmasını hızlandıran katalitik nanoparçacıklar)
  • Karbon tutumu (CO için yeni malzemeler, örneğin 2 adsorpsiyon)

immünoterapi

  • Peptid bazlı aşılar (örneğin, amfifilik peptit makromoleküler düzenekleri, güçlü bir bağışıklık tepkisini indükler)
  • Peptit içeren biyofarmasötikler (örn. nanopartiküller, lipozomlar, dağıtım araçları olarak polielektrolit miseller)

Sentetik biyoloji

  • CRISPR - Daha hızlı ve daha verimli gen düzenleme tekniği
  • Gen aktarımı / gen tedavisi - Genetik bozuklukları tedavi etmek için canlı organizmaların hücrelerine değiştirilmiş veya yeni genler vermek için moleküller tasarlamak
  • Metabolik mühendislik - Kimyasalların üretimini optimize etmek için organizmaların metabolizmasını değiştirmek (örneğin sentetik genomikler )
  • Protein mühendisliği - Belirli yeni işlevleri etkinleştirmek için mevcut proteinlerin yapısının değiştirilmesi veya tamamen yapay proteinlerin yaratılması
  • DNA-fonksiyonelleştirilmiş malzemeler - DNA-konjuge nanoparçacık kafeslerinin 3D düzenekleri

Kullanılan teknikler ve aletler

Moleküler mühendisler, moleküler ve nano ölçekte moleküllerin ve malzemelerin yüzeylerinin etkileşimlerini yapmak ve analiz etmek için karmaşık araçlar ve aletler kullanır. Yüzeye eklenen moleküllerin karmaşıklığı artıyor ve yüzey özelliklerini moleküler düzeyde analiz etmek için kullanılan teknikler sürekli değişiyor ve gelişiyor. Bu arada, yüksek performanslı hesaplamadaki gelişmeler, moleküler ölçekli sistemlerin incelenmesinde bilgisayar simülasyonunun kullanımını büyük ölçüde genişletti.

Hesaplamalı ve Teorik Yaklaşımlar

Pacific Northwest National Laboratory'de çevresel transmisyon elektron mikroskobu kullanan bir EMSL bilim adamı. ETEM, dinamik çalışma koşulları altında malzemelerin atomik çözünürlüklü görüntülemesini ve spektroskopik çalışmalarını sağlayan yerinde yetenekler sağlar. TEM'in yüksek vakum altında geleneksel çalışmasının aksine, EMSL'nin ETEM'i, yüksek sıcaklık ve gaz ortamlarında görüntülemeye benzersiz bir şekilde izin verir.

mikroskopi

Moleküler Karakterizasyon

spektroskopi

Yüzey Bilimi

Sentetik Yöntemler

Diğer Aletler

Araştırma / Eğitim

: En az üç üniversite moleküler mühendislik adanmış lisans düzeyinde eğitim Chicago Üniversitesi , Washington Üniversitesi ve Kyoto Üniversitesi . Bu programlar, çeşitli araştırma alanlarından öğretim üyeleri ile disiplinler arası enstitülerdir.

Akademik dergi Molecular Systems Design & Engineering, "belirli sistem işlevselliğini ve performansını hedefleyen bir moleküler tasarım veya optimizasyon stratejisi" gösteren çok çeşitli konu alanlarından araştırmalar yayınlar.

Ayrıca bakınız

Genel başlıklar

Referanslar