분자 공학

Molecular engineering

분자 공학은 특정 기능을 위한 더 나은 재료, 시스템 및 프로세스를 조립하기 위해 분자 특성, 행동 및 상호작용의 설계 및 테스트와 관련된 새로운 학문 분야입니다.거시적 시스템의 관찰 가능한 특성이 분자 구조의 직접적인 변화에 의해 영향을 받는 이 접근법은 "상향적" 설계의 더 넓은 범주에 속합니다.

분자 공학은 복잡성이 높은 시스템에 대한 엄격한 합리적인 분자 설계 접근법을 필요로 하는 신흥 기술에서의 재료 개발 노력을 다룬다.

분자 공학은 화학 공학, 재료 과학, 생물 공학, 전기 공학, 물리학, 기계 공학 및 화학의 측면을 포괄하는 높은 학제 간입니다.나노테크놀로지와의 중복도 적지 않다.나노미터 이하의 물질의 거동에 관한 것이다.분자 상호작용의 매우 근본적인 특성을 고려할 때, 아마도 개인의 상상력과 물리 법칙에 의해서만 제한되는, 잠재적인 응용 분야가 너무 많다.그러나 분자공학의 초기 성공 중 일부는 면역치료, 합성생물학, 인쇄 가능한 전자공학 분야에서 이루어졌다.

분자 공학은 복잡한 목표 문제를 안고 진화하는 역동적인 분야입니다. 혁신은 여러 분야에 정통한 정교하고 창의적인 엔지니어를 필요로 합니다.분자 원리에 기초한 합리적인 엔지니어링 방법론은 엔지니어링 분야 전체에서 공통적으로 사용되는 광범위한 시행착오 접근법과 대조적입니다.분자 설계 접근방식은 시스템의 구성과 특성 사이의 잘 설명되었지만 잘 이해되지 않은 경험적 상관관계에 의존하는 대신, 화학적 및 물리적 기원에 대한 이해를 사용하여 시스템 속성을 직접 조작하려고 합니다.이로 인해 에너지, 의료, 전자제품 등 다양한 분야에서 미해결 요구를 충족시키기 위해 필요한 근본적으로 새로운 소재와 시스템이 생겨나는 경우가 많습니다.또한 기술의 고도화가 진행됨에 따라 시행착오 접근법은 종종 비용이 많이 들고 복잡 시스템 내의 변수 간의 모든 관련 종속성을 설명하기가 어려울 수 있기 때문에 어렵습니다.분자 공학에는 계산 도구, 실험 방법 또는 둘의 조합이 포함될 수 있습니다.

역사

분자 공학은 1956년 Arthur R. von Hippel에 의해 연구 문헌에서 처음 언급되었으며, 그는 그것을 "공학적 문제에 대한 새로운 사고 방식"이라고 정의했습니다.조립식 재료를 사용하여 거시적 특성에 맞는 엔지니어링 응용 프로그램을 고안하는 대신 [1]원자와 분자로부터 재료를 직접 제작할 수 있습니다."이 개념은 리처드 파인만의 1959년 강의에서 반영되었는데, 이것은 나노 기술 분야의 기본 아이디어 중 일부를 탄생시킨 것으로 널리 알려져 있다.이러한 개념의 초기 도입에도 불구하고, 1980년대 중반에 이르러서야 '창조의 엔진'이 출판되었습니다. 드렉슬러의 나노테크놀로지의 도래시대는 나노와 분자 규모의 과학에 대한 현대적 개념이 대중의 의식 속에서 성장하기 시작했다.

Alan J.에 의한 폴리아세틸렌의 전기 전도성의 발견. 1977년[2] 히거는 많은 분자 공학 노력의 토대가 된 유기 전자 분야를 효과적으로 열었다.이러한 재료의 설계와 최적화는 유기 발광 다이오드와 플렉시블 태양 전지를 포함한 많은 혁신으로 이어졌다.

적용들

분자 설계는 생물 공학, 화학 공학, 전기 공학, 재료 과학, 기계 공학 및 화학을 포함한 학계에서 많은 분야의 중요한 요소였습니다.그러나 현재 진행 중인 과제 중 하나는 설계 이론에서 재료 생산, 장치 설계에서 제품 개발까지 다양한 분야에 걸쳐 다양한 분야의 핵심 인력을 모으는 것입니다.따라서, 기술의 합리적 엔지니어링의 개념이 하향식으로부터 새로운 것은 아니지만, R&D로 널리 해석되는 것은 아직 멀었다.

분자 공학은 많은 산업에서 사용된다.분자 공학이 중요한 역할을 하는 기술의 일부 응용 분야:

컨슈머 제품

에너지 수집 및 저장

환경 공학

  • 물 담수화(예: 저비용 이온 [12]제거를 위한 새로운 막)
  • 토양 복구(예: 염화유기화합물 [13]등 장수명 토양 오염물질의 분해를 촉진하는 촉매 나노입자)
  • 탄소 격리(예를 들어 CO [14]흡착을 위한2 신소재)

면역 요법

합성생물학

  • CRISPR - 보다 빠르고 효율적인 유전자 편집 기술
  • 유전자 전달/유전자 치료 - 유전자 장애를 치료하기 위해 변형 또는 새로운 유전자를 생체 세포에 전달하는 분자의 설계
  • 대사공학 - 유기체의 신진대사를 수정하여 화학물질 생산을 최적화한다(예: 합성게노믹스)
  • 단백질 공학 - 기존 단백질의 구조를 변경하여 특정 새로운 기능을 가능하게 하거나 완전히 인공적인 단백질을 생성한다.
  • DNA 기능화 물질 - DNA 결합 나노 입자 격자의[17] 3D 조립체

사용하는 기술 및 기구

분자공학자는 정교한 도구와 기구를 이용해 분자와 물질 표면의 상호작용을 분자 및 나노 규모로 만들고 분석합니다.표면에 도입되는 분자의 복잡도는 증가하고 있으며, 분자 수준에서 표면 특성을 분석하기 위해 사용되는 기술은 끊임없이 변화하고 발전하고 있다.한편, 고성능 컴퓨팅의 진보는 분자 스케일 시스템의 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션의 사용을 크게 확대했습니다.

계산 및 이론적 접근법

태평양 북서부 국립 연구소의 환경 투과 전자 현미경을 사용하는 EMSL 과학자.ETEM은 동적 작동 조건 하에서 원자 분해능 이미징과 물질의 분광학적 연구를 가능하게 하는 현장 기능을 제공한다.EMSL의 ETEM은 고진공 상태에서 TEM을 작동시키는 기존 방식과는 달리 고온 및 가스 환경에서의 촬영이 가능합니다.

현미경 검사

분자 특성 평가

분광학

서피스 사이언스

합성 방식

기타 도구

조사/교육

적어도 3개의 대학:[18] 시카고 대학, 워싱턴 [19]대학, 교토 대학.[20]이 프로그램들은 여러 연구 분야의 교수진을 가진 학제간 기관들이다.

학술지 「Molecular Systems Design[21] & Engineering」은, 「특정 시스템의 기능이나 퍼포먼스를 타겟으로 한 분자 설계 또는 최적화 전략」을 나타내는 다양한 분야의 연구를 게재하고 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

일반적인 토픽

레퍼런스

  1. ^ von Hippel, Arthur R (1956). "Molecular Engineering". Science. 123 (3191): 315–317. Bibcode:1956Sci...123..315V. doi:10.1126/science.123.3191.315. JSTOR 1750067. PMID 17774519.
  2. ^ Chiang, C. K. (1977-01-01). "Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene". Physical Review Letters. 39 (17): 1098–1101. Bibcode:1977PhRvL..39.1098C. doi:10.1103/PhysRevLett.39.1098.
  3. ^ Gallo, Jiri; Holinka, Martin; Moucha, Calin S. (2014-08-11). "Antibacterial Surface Treatment for Orthopaedic Implants". 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). "A subtractive approach to molecular engineering of dimethoxybenzene-based redox materials for non-aqueous flow batteries". 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). "Toward an Ideal Polymer Binder Design for High-Capacity Battery Anodes". 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). "Highly Adhesive and Soluble Copolyimide Binder: Improving the Long-Term Cycle Life of Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries". 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). "Recent Progress in Research on High-Voltage Electrolytes for Lithium-Ion Batteries". 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. (2012-01-01). "Positive Electrode Passivation by LiDFOB Electrolyte Additive in High-Capacity Lithium-Ion Cells". Journal of the Electrochemical Society. 159 (12): A2109–A2117. doi:10.1149/2.083212jes. ISSN 0013-4651.
  9. ^ "New Laminar Batteries Printed Electronics World". 2007-05-18. Retrieved 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). "Polymer-Bound Pyrene-4,5,9,10-tetraone for Fast-Charge and -Discharge Lithium-Ion Batteries with High Capacity". 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). "Heavily n-Dopable π-Conjugated Redox Polymers with Ultrafast Energy Storage Capability". 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). "Water desalination using nanoporous single-layer graphene". Nature Nanotechnology. 10 (5): 459–464. Bibcode:2015NatNa..10..459S. doi:10.1038/nnano.2015.37. OSTI 1185491. PMID 25799521.
  13. ^ He, Feng; Zhao, Dongye; Paul, Chris (2010-04-01). "Field assessment of carboxymethyl cellulose stabilized iron nanoparticles for in situ destruction of chlorinated solvents in source zones". Water Research. 44 (7): 2360–2370. doi:10.1016/j.watres.2009.12.041. PMID 20106501.
  14. ^ Pelley, Janet. "Better Carbon Capture Through Chemistry Chemical & Engineering News". cen.acs.org. Retrieved 2016-08-06.
  15. ^ Black, Matthew; Trent, Amanda; Kostenko, Yulia; Lee, Joseph Saeyong; Olive, Colleen; Tirrell, Matthew (2012-07-24). "Self-Assembled Peptide Amphiphile Micelles Containing a Cytotoxic T-Cell Epitope Promote a Protective Immune Response In Vivo". Advanced Materials. 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). "Molecular engineering solutions for therapeutic peptide delivery". Chemical Society Reviews. 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). "Mechanical Response of DNA–Nanoparticle Crystals to Controlled Deformation". ACS Central Science. 2 (9): 614–620. doi:10.1021/acscentsci.6b00170. ISSN 2374-7943. PMC 5043426. PMID 27725959.
  18. ^ "Institute for Molecular Engineering". ime.uchicago.edu. Retrieved 2016-08-06.
  19. ^ "Molecular Engineering & Sciences Institute". www.moles.washington.edu. Retrieved 2016-08-06.
  20. ^ "Top page - Kyoto University, Department of Molecular Engineering". www.ml.t.kyoto-u.ac.jp. Retrieved 2016-08-06.
  21. ^ "Molecular Systems Design & Engineering". Royal Society of Chemistry. July 31, 2014. Retrieved August 6, 2016.