Ingeniería molecular - Molecular engineering

La ingeniería molecular es un campo de estudio emergente que se ocupa del diseño y prueba de propiedades moleculares, comportamiento e interacciones con el fin de ensamblar mejores materiales, sistemas y procesos para funciones específicas. Este enfoque, en el que las propiedades observables de un sistema macroscópico están influenciadas por la alteración directa de una estructura molecular, cae en la categoría más amplia de diseño "de abajo hacia arriba" .

La ingeniería molecular se ocupa de los esfuerzos de desarrollo de materiales en tecnologías emergentes que requieren enfoques rigurosos de diseño molecular racional hacia sistemas de alta complejidad.

La ingeniería molecular es altamente interdisciplinaria por naturaleza, y abarca aspectos de ingeniería química , ciencia de materiales , bioingeniería , ingeniería eléctrica , física , ingeniería mecánica y química . También hay una superposición considerable con la nanotecnología , en el sentido de que ambas se preocupan por el comportamiento de los materiales en la escala de nanómetros o menores. Dada la naturaleza altamente fundamental de las interacciones moleculares, existe una plétora de áreas de aplicación potenciales, limitadas quizás solo por la imaginación de uno y las leyes de la física. Sin embargo, algunos de los primeros éxitos de la ingeniería molecular se han producido en los campos de la inmunoterapia, la biología sintética y la electrónica imprimible (ver aplicaciones de ingeniería molecular ).

La ingeniería molecular es un campo dinámico y en evolución con complejos problemas objetivo; Los avances requieren ingenieros sofisticados y creativos que estén familiarizados con todas las disciplinas. Una metodología de ingeniería racional que se basa en principios moleculares contrasta con los enfoques generalizados de prueba y error comunes en todas las disciplinas de la ingeniería. En lugar de depender de correlaciones empíricas bien descritas pero poco entendidas entre la composición de un sistema y sus propiedades, un enfoque de diseño molecular busca manipular las propiedades del sistema directamente utilizando la comprensión de sus orígenes químicos y físicos. Esto a menudo da lugar a materiales y sistemas fundamentalmente nuevos, que se requieren para abordar necesidades pendientes en numerosos campos, desde la energía hasta la atención médica y la electrónica. Además, con la mayor sofisticación de la tecnología, los enfoques de prueba y error a menudo son costosos y difíciles, ya que puede ser difícil tener en cuenta todas las dependencias relevantes entre las variables en un sistema complejo . Los esfuerzos de ingeniería molecular pueden incluir herramientas computacionales, métodos experimentales o una combinación de ambos.

Historia

La ingeniería molecular fue mencionada por primera vez en la literatura de investigación en 1956 por Arthur R. von Hippel , quien la definió como "... un nuevo modo de pensar sobre los problemas de ingeniería. En lugar de tomar materiales prefabricados y tratar de diseñar aplicaciones de ingeniería consistentes con sus propiedades macroscópicas, uno construye materiales a partir de sus átomos y moléculas para el propósito en cuestión ". Este concepto se repitió en la conferencia seminal de Richard Feynman de 1959 Hay mucho espacio en la parte inferior , que se considera ampliamente como el nacimiento de algunas de las ideas fundamentales del campo de la nanotecnología . A pesar de la introducción temprana de estos conceptos, no fue hasta mediados de la década de 1980 con la publicación de Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology por Drexler que los conceptos modernos de ciencia nano y de escala molecular comenzaron a crecer en el público. conciencia.

El descubrimiento de las propiedades conductoras de la electricidad en el poliacetileno por Alan J. Heeger en 1977 abrió efectivamente el campo de la electrónica orgánica , que ha demostrado ser fundamental para muchos esfuerzos de ingeniería molecular. El diseño y la optimización de estos materiales ha dado lugar a una serie de innovaciones que incluyen diodos emisores de luz orgánicos y células solares flexibles .

Aplicaciones

El diseño molecular ha sido un elemento importante de muchas disciplinas en la academia, incluida la bioingeniería, la ingeniería química, la ingeniería eléctrica, la ciencia de los materiales, la ingeniería mecánica y la química. Sin embargo, uno de los desafíos actuales es reunir la masa crítica de mano de obra entre las disciplinas para abarcar el ámbito desde la teoría del diseño hasta la producción de materiales, y desde el diseño de dispositivos hasta el desarrollo de productos. Por lo tanto, si bien el concepto de ingeniería racional de la tecnología de abajo hacia arriba no es nuevo, todavía está lejos de ser traducido ampliamente en esfuerzos de I + D.

La ingeniería molecular se utiliza en muchas industrias. Algunas aplicaciones de tecnologías donde la ingeniería molecular juega un papel crítico:

Productos de consumo

  • Superficies antibióticas (por ejemplo, incorporación de nanopartículas de plata o péptidos antibacterianos en recubrimientos para prevenir infecciones microbianas)
  • Cosméticos (por ejemplo, modificación reológica con pequeñas moléculas y tensioactivos en el champú)
  • Productos de limpieza (por ejemplo, nanoplata en detergente para ropa)
  • Electrónica de consumo (por ejemplo, pantallas de diodos emisores de luz orgánicos (OLED))
  • Ventanas electrocrómicas (por ejemplo, ventanas en el Boeing 787 Dreamliner )
  • Vehículos de emisión cero (por ejemplo , pilas / baterías de combustible avanzadas )
  • Superficies autolimpiables (p. Ej., Revestimientos superficiales superhidrofóbicos )

Recolección y almacenamiento de energía

Ingeniería Ambiental

  • Desalinización de agua (por ejemplo, nuevas membranas para la eliminación de iones de bajo costo y alta eficiencia)
  • Remediación del suelo (por ejemplo, nanopartículas catalíticas que aceleran la degradación de contaminantes del suelo de larga duración, como compuestos orgánicos clorados)
  • Secuestro de carbono (por ejemplo, nuevos materiales para la adsorción de CO 2 )

Inmunoterapia

  • Vacunas basadas en péptidos (p. Ej., Conjuntos macromoleculares de péptidos anfifílicos que inducen una sólida respuesta inmunitaria)
  • Productos biofarmacéuticos que contienen péptidos (por ejemplo, nanopartículas, liposomas, micelas de polielectrolitos como vehículos de administración)

Biología sintética

  • CRISPR : técnica de edición de genes más rápida y eficiente
  • Entrega de genes / terapia génica : diseño de moléculas para administrar genes nuevos o modificados en células de organismos vivos para curar trastornos genéticos.
  • Ingeniería metabólica : modificación del metabolismo de los organismos para optimizar la producción de sustancias químicas (p. Ej., Genómica sintética )
  • Ingeniería de proteínas : alteración de la estructura de las proteínas existentes para permitir nuevas funciones específicas o la creación de proteínas completamente artificiales.
  • Materiales funcionalizados con ADN: ensamblajes 3D de redes de nanopartículas conjugadas con ADN

Técnicas e instrumentos utilizados

Los ingenieros moleculares utilizan herramientas e instrumentos sofisticados para crear y analizar las interacciones de las moléculas y las superficies de los materiales a escala molecular y nanométrica. La complejidad de las moléculas que se introducen en la superficie está aumentando y las técnicas utilizadas para analizar las características de la superficie a nivel molecular cambian y mejoran constantemente. Mientras tanto, los avances en la computación de alto rendimiento han expandido enormemente el uso de la simulación por computadora en el estudio de sistemas a escala molecular.

Enfoques teóricos y computacionales

Un científico de EMSL que utiliza el microscopio electrónico de transmisión ambiental en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. El ETEM proporciona capacidades in situ que permiten la obtención de imágenes de resolución atómica y estudios espectroscópicos de materiales en condiciones de funcionamiento dinámicas. En contraste con la operación tradicional de TEM bajo alto vacío, ETEM de EMSL permite de manera única la obtención de imágenes en entornos de gas y alta temperatura.

Microscopía

Caracterización molecular

Espectroscopia

Ciencia de superficie

Métodos sintéticos

Otras herramientas

Investigación / Educación

Al menos tres universidades ofrecen títulos de posgrado dedicados a la ingeniería molecular: la Universidad de Chicago , la Universidad de Washington y la Universidad de Kyoto . Estos programas son institutos interdisciplinarios con profesores de varias áreas de investigación.

La revista académica Molecular Systems Design & Engineering publica investigaciones de una amplia variedad de áreas temáticas que demuestran "un diseño molecular o una estrategia de optimización dirigida a la funcionalidad y el rendimiento de sistemas específicos".

Ver también

Temas generales

Referencias