Molekulartechnik – Wikipedia

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Molekulartechnik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, das sich mit dem Design und Testen molekularer Eigenschaften, Verhaltensweisen und Wechselwirkungen befasst, um bessere Materialien, Systeme und Prozesse für bestimmte Funktionen zusammenzusetzen. Dieser Ansatz, bei dem beobachtbare Eigenschaften eines makroskopischen Systems durch direkte Änderung einer Molekülstruktur beeinflusst werden, fällt in die breitere Kategorie des „Bottom-up“ -Designs.

Molecular Engineering befasst sich mit Materialentwicklungsbemühungen in neuen Technologien, die rigorose rationale molekulare Designansätze für Systeme mit hoher Komplexität erfordern.

Die Molekulartechnik ist von Natur aus sehr interdisziplinär und umfasst Aspekte der chemischen Technik, der Materialwissenschaften, der Biotechnik, der Elektrotechnik, der Physik, des Maschinenbaus und der Chemie. Es gibt auch erhebliche Überschneidungen mit der Nanotechnologie, da beide das Verhalten von Materialien im Nanometerbereich oder kleiner betreffen. Angesichts der grundsätzlichen Natur molekularer Wechselwirkungen gibt es eine Vielzahl potenzieller Anwendungsbereiche, die möglicherweise nur durch die eigene Vorstellungskraft und die Gesetze der Physik begrenzt sind. Einige der frühen Erfolge der molekularen Technik sind jedoch in den Bereichen Immuntherapie, synthetische Biologie und druckbare Elektronik zu verzeichnen (siehe Anwendungen der molekularen Technik).

Molecular Engineering ist ein dynamisches und sich entwickelndes Gebiet mit komplexen Zielproblemen. Durchbrüche erfordern anspruchsvolle und kreative Ingenieure, die disziplinübergreifend vertraut sind. Eine rationale Engineering-Methodik, die auf molekularen Prinzipien basiert, steht im Gegensatz zu den weit verbreiteten Trial-and-Error-Ansätzen, die in allen technischen Disziplinen üblich sind. Anstatt sich auf gut beschriebene, aber schlecht verstandene empirische Korrelationen zwischen dem Aufbau eines Systems und seinen Eigenschaften zu stützen, versucht ein molekularer Entwurfsansatz, die Systemeigenschaften direkt zu manipulieren, indem er ihre chemischen und physikalischen Ursprünge versteht. Dies führt häufig zu grundlegend neuen Materialien und Systemen, die erforderlich sind, um herausragende Anforderungen in zahlreichen Bereichen zu erfüllen, von Energie über Gesundheitswesen bis hin zu Elektronik. Darüber hinaus sind Trial-and-Error-Ansätze mit der zunehmenden Komplexität der Technologie häufig kostspielig und schwierig, da es schwierig sein kann, alle relevanten Abhängigkeiten zwischen Variablen in einem komplexen System zu berücksichtigen. Molekulartechnische Bemühungen können Berechnungswerkzeuge, experimentelle Methoden oder eine Kombination aus beiden umfassen.

Geschichte[edit]

Die Molekulartechnik wurde erstmals 1956 in der Forschungsliteratur von Arthur R. von Hippel erwähnt, der sie als “… eine neue Art des Denkens über technische Probleme” definierte. Anstatt vorgefertigte Materialien zu verwenden und zu versuchen, technische Anwendungen zu entwickeln, die ihren makroskopischen Eigenschaften entsprechen, man baut Materialien aus ihren Atomen und Molekülen für den vorliegenden Zweck. “[1] Dieses Konzept wurde in Richard Feynmans wegweisendem Vortrag von 1959 wiederholt Dort unten ist viel platz, von dem allgemein angenommen wird, dass es einige der Grundideen auf dem Gebiet der Nanotechnologie hervorbringt. Trotz der frühen Einführung dieser Konzepte war es erst Mitte der 1980er Jahre mit der Veröffentlichung von Motoren der Schöpfung: Das kommende Zeitalter der Nanotechnologie von Drexler, dass die modernen Konzepte der Nano- und Molekularwissenschaft im öffentlichen Bewusstsein zu wachsen begannen.

Die Entdeckung elektrisch leitender Eigenschaften in Polyacetylen durch Alan J. Heeger im Jahr 1977[2] öffnete effektiv das Gebiet der organischen Elektronik, das sich als Grundlage für viele molekulartechnische Bemühungen erwiesen hat. Das Design und die Optimierung dieser Materialien haben zu einer Reihe von Innovationen geführt, darunter organische Leuchtdioden und flexible Solarzellen.

Anwendungen[edit]

Molekulares Design war ein wichtiges Element vieler Disziplinen in der Wissenschaft, einschließlich Bioingenieurwesen, Chemieingenieurwesen, Elektrotechnik, Materialwissenschaften, Maschinenbau und Chemie. Eine der anhaltenden Herausforderungen besteht jedoch darin, die kritische Masse an Arbeitskräften unter den Disziplinen zusammenzuführen, um den Bereich von der Designtheorie bis zur Materialherstellung und vom Gerätedesign bis zur Produktentwicklung abzudecken. Obwohl das Konzept der rationalen Entwicklung von Technologie von unten nach oben nicht neu ist, ist es noch weit davon entfernt, in weitreichende Forschungs- und Entwicklungsbemühungen umgesetzt zu werden.

Molekulartechnik wird in vielen Branchen eingesetzt. Einige Anwendungen von Technologien, bei denen Molecular Engineering eine entscheidende Rolle spielt:

Verbraucherprodukte[edit]

  • Antibiotika-Oberflächen (z. B. Einbau von Silbernanopartikeln oder antibakteriellen Peptiden in Beschichtungen zur Verhinderung einer mikrobiellen Infektion)[3]
  • Kosmetik (zB rheologische Modifikation mit kleinen Molekülen und Tensiden im Shampoo)
  • Reinigungsprodukte (zB Nanosilber in Waschmittel)
  • Unterhaltungselektronik (zB organische Leuchtdiodenanzeigen (OLED))
  • Elektrochrome Fenster (zB Fenster im Boeing 787 Dreamliner)
  • Emissionsfreie Fahrzeuge (z. B. fortschrittliche Brennstoffzellen / Batterien)
  • Selbstreinigende Oberflächen (zB superhydrophobe Oberflächenbeschichtungen)

Energiegewinnung und -speicherung[edit]

Umwelttechnik[edit]

  • Wasserentsalzung (z. B. neue Membranen zur hocheffizienten, kostengünstigen Ionenentfernung)[12]
  • Bodensanierung (z. B. katalytische Nanopartikel, die den Abbau langlebiger Bodenverunreinigungen wie chlorierte organische Verbindungen beschleunigen)[13]
  • Kohlenstoffbindung (zB neue Materialien für CO2 Adsorption)[14]

Immuntherapie[edit]

  • Impfstoffe auf Peptidbasis (z. B. makromolekulare Anordnungen von amphiphilen Peptiden induzieren eine robuste Immunantwort)[15]
  • Peptidhaltige Biopharmazeutika (z. B. Nanopartikel, Liposomen, Polyelektrolytmizellen als Abgabevehikel)[16]

Synthetische Biologie[edit]

  • CRISPR – Schnellere und effizientere Gen-Editing-Technik
  • Genabgabe / Gentherapie – Entwicklung von Molekülen zur Abgabe modifizierter oder neuer Gene in Zellen lebender Organismen zur Heilung genetischer Störungen
  • Metabolic Engineering – Änderung des Stoffwechsels von Organismen zur Optimierung der Produktion von Chemikalien (z. B. synthetische Genomik)
  • Protein Engineering – Änderung der Struktur bestehender Proteine, um bestimmte neue Funktionen zu ermöglichen, oder Schaffung vollständig künstlicher Proteine
  • DNA-funktionalisierte Materialien – 3D-Anordnungen von DNA-konjugierten Nanopartikelgittern[17]

Verwendete Techniken und Instrumente[edit]

Molekularingenieure verwenden hochentwickelte Werkzeuge und Instrumente, um die Wechselwirkungen von Molekülen und Materialoberflächen auf molekularer und nanoskaliger Ebene zu untersuchen. Die Komplexität der an der Oberfläche eingeführten Moleküle nimmt zu, und die Techniken zur Analyse der Oberflächeneigenschaften auf molekularer Ebene ändern sich ständig und verbessern sich. In der Zwischenzeit haben Fortschritte im Hochleistungsrechnen den Einsatz von Computersimulationen bei der Untersuchung molekularer Systeme erheblich erweitert.

Computergestützte und theoretische Ansätze[edit]

Ein EMSL-Wissenschaftler, der das Umwelttransmissionselektronenmikroskop am Pacific Northwest National Laboratory verwendet. Das ETEM bietet In-situ-Funktionen, die eine Bildgebung mit atomarer Auflösung und spektroskopische Untersuchungen von Materialien unter dynamischen Betriebsbedingungen ermöglichen. Im Gegensatz zum herkömmlichen Betrieb von TEM unter Hochvakuum ermöglicht das ETEM von EMSL in einzigartiger Weise die Bildgebung in Hochtemperatur- und Gasumgebungen.

Mikroskopie[edit]

Molekulare Charakterisierung[edit]

Spektroskopie[edit]

Oberflächenwissenschaft[edit]

Synthesemethoden[edit]

Andere Werkzeuge[edit]

Forschung / Lehre[edit]

Mindestens drei Universitäten bieten Hochschulabschlüsse für Molekulartechnik an: die University of Chicago,[18] die Universität von Washington,[19] und Kyoto University.[20] Diese Programme sind interdisziplinäre Institute mit Fakultäten aus verschiedenen Forschungsbereichen.

Die akademische Zeitschrift Molecular Systems Design & Engineering[21] veröffentlicht Forschungsergebnisse aus einer Vielzahl von Themenbereichen, die “eine molekulare Entwurfs- oder Optimierungsstrategie demonstrieren, die auf die Funktionalität und Leistung bestimmter Systeme abzielt”.

Siehe auch[edit]

Generelle Themen[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ von Hippel, Arthur R (1956). “Molecular Engineering”. Wissenschaft. 123 (3191): 315–317. doi:10.1126 / science.123.3191.315. JSTOR 1750067. PMID 17774519.
  2. ^ Chiang, CK (1977-01-01). “Elektrische Leitfähigkeit in dotiertem Polyacetylen”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 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). “Antibakterielle Oberflächenbehandlung für orthopädische Implantate”. Internationales Journal für Molekulare Wissenschaften. 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 (14.07.2015). “Ein subtraktiver Ansatz zur molekularen Entwicklung von Redoxmaterialien auf Dimethoxybenzolbasis für nichtwässrige Durchflussbatterien”. J. Mater. Chem. EIN. 3 (29): 14971–14976. doi:10.1039 / c5ta02380g. ISSN 2050-7496.
  5. ^ Wu, Mingyan; Xiao, Xingcheng; Vukmirovic, Nenad; Xun, Shidi; Das, Prodip K.; Lied, Xiangyun; Olalde-Velasco, Paul; Wang, Dongdong; Weber, Adam Z. (2013-07-31). “Auf dem Weg zu einem idealen Polymerbindemitteldesign für Hochleistungsbatterieanoden”. Zeitschrift der 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 (30.06.2015). “Hochklebendes und lösliches Copolyimid-Bindemittel: Verbesserung der Langzeitlebensdauer von Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Batterien”. 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). “Jüngste Fortschritte in der Forschung zu Hochspannungselektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien”. 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). “Positive Elektrodenpassivierung durch LiDFOB-Elektrolytadditiv in Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Kapazität”. Zeitschrift der Electrochemical Society. 159 (12): A2109 – A2117. doi:10.1149 / 2.083212jes. ISSN 0013-4651.
  9. ^ “Neue laminare Batterien | Printed Electronics World”. 2007-05-18. Abgerufen 2016-08-06.
  10. ^ Nokami, Toshiki; Matsuo, Takahiro; Inatomi, Yuu; Hojo, Nobuhiko; Tsukagoshi, Takafumi; Yoshizawa, Hiroshi; Shimizu, Akihiro; Kuramoto, Hiroki; Komae, Kazutomo (20.11.2012). “Polymergebundenes Pyren-4,5,9,10-tetraon zum schnellen Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität”. Zeitschrift der 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 (11.04.2015). “Stark n-dotierbare π-konjugierte Redoxpolymere mit ultraschneller Energiespeicherfähigkeit”. Zeitschrift der 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). “Wasserentsalzung mit nanoporösem einschichtigem Graphen”. Natur Nanotechnologie. 10 (5): 459–464. Bibcode:2015NatNa..10..459S. doi:10.1038 / nnano.2015.37. OSTI 1185491. PMID 25799521.
  13. ^ Er, Feng; Zhao, Dongye; Paul, Chris (01.04.2010). “Felduntersuchung von Carboxymethylcellulose-stabilisierten Eisennanopartikeln zur In-situ-Zerstörung chlorierter Lösungsmittel in Quellzonen”. Wasserforschung. 44 (7): 2360–2370. doi:10.1016 / j.watres.2009.12.041. PMID 20106501.
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  16. ^ Acar, Handan; Ting, Jeffrey M.; Srivastava, Samanvaya; LaBelle, James L.; Tirrell, Matthew V. (2017). “Molecular Engineering-Lösungen für die therapeutische Peptidabgabe”. Bewertungen der Chemical Society. 46 (21): 6553–6569. doi:10.1039 / C7CS00536A. ISSN 0306-0012. PMID 28902203.
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