分子工程

分子工程是一个新兴的研究领域，涉及分子特性，行为和相互作用的设计和测试，以便为特定功能组装更好的材料，系统和过程。宏观系统的可观察特性受分子结构的直接改变影响的这种方法属于“自下而上”设计的更广泛类别。

分子工程本质上是高度跨学科的，涵盖化学工程、材料科学、生物工程、电气工程、物理学、机械工程和化学等方面。纳米技术也有很多重叠，两者都与纳米级或更小的材料的性能有关。考虑到分子相互作用的高度基础性，存在许多潜在的应用领域，可能仅受其想象力和物理定律的限制。但是，分子工程学的一些早期成功已经出现在免疫疗法，合成生物学和可打印电子学领域。

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分子工程是一个动态且不断发展的领域，具有复杂的目标问题。要取得突破，就需要精通创新的工程师，他们需要跨学科交流。基于分子原理的合理工程方法与整个工程学科普遍采用的反复试验法形成鲜明对比。分子设计方法不是依赖于系统组成及其特性之间的详尽描述但未得到充分理解的经验相关性，而是试图通过了解它们的化学和物理起源来直接操纵系统特性。这通常会带来从根本上来说新的材料和系统，这些新材料和系统可以满足从能源到医疗保健再到电子产品等众多领域的突出需求。另外，复杂系统。分子工程的工作可能包括计算工具，实验方法或两者的结合。

分子设计已成为学术界许多学科的重要元素，包括生物工程、化学工程、电气工程、材料科学、机械工程和化学。但是，当前的挑战之一是将各学科之间的关键人员聚集在一起，以跨越从设计理论到材料生产，从设备设计到产品开发的领域。因此，尽管从下至上的合理技术工程概念并不是什么新鲜事物，但距离将其广泛转化为研发工作还很远。

分子工程被用于许多行业。在分子工程中起关键作用的一些技术应用：

• 抗生素表面（例如将纳米银颗粒或抗菌肽掺入涂层中以防止微生物感染）
• 化妆品（例如洗发剂中小分子和表面活性剂的流变改性）
• 清洁产品（例如洗衣粉中的纳米银）
• 消费类电子产品（例如有机发光二极管显示器（OLED））
• 电致变色窗（例如，波音787 Dreamliner中的窗）
• 零排放车辆（例如，先进的燃料电池 /电池）
• 自洁表面（例如超疏水表面涂层）

• 液流电池 -用于网格规模储能系统中高能量密度电解质和高选择性膜的合成分子。
• 锂离子电池 -用作电极粘结剂创建新的分子，电解质添加剂或甚至用于能量存储直接为了提高能量密度（使用石墨烯、硅纳米棒和锂金属等材料）、功率密度、循环寿命和安全性。
• 太阳能电池 -为提高效率和成本效益的太阳能电池开发新材料，包括基于有机，量子点或钙钛矿的光伏电池。
• 光催化水分解 -使用太阳能和先进的催化材料（例如半导体纳米颗粒）提高氢燃料的生产

• 水脱盐（例如用于高效低成本去除离子的新型膜）
• 土壤修复（例如，催化纳米颗粒加速了长寿命土壤污染物（如氯化有机化合物）的降解）
• 固碳（例如，用于吸附CO _2的新材料）

• 基于肽的疫苗（例如两亲性肽大分子装配体可诱导强大的免疫反应）
• 含肽的生物药物（例如，纳米颗粒、脂质体、聚电解质微团作为运载工具）

• CRISPR-更快，更高效的基因编辑技术
• 基因传递 / 基因治疗 -设计分子以将修饰的或新的基因传递到活生物体的细胞中以治愈遗传疾病
• 代谢工程 -修改生物的代谢以优化化学物质的产生（例如合成基因组学）
• 蛋白质工程 -改变现有蛋白质的结构以实现特定的新功能，或创建完全人工的蛋白质
• DNA功能化的材料-DNA缀合的纳米粒子晶格的3D组装

分子工程师利用复杂的工具和仪器来制作和分析分子和纳米尺度上的分子与材料表面的相互作用。引入表面的分子的复杂性正在增加，用于在分子水平分析表面特性的技术也在不断变化和改进。同时，高性能计算的进步极大地扩展了计算机模拟在分子规模系统研究中的应用。

• 计算化学
• 高性能计算
• 分子动力学
• 分子模拟
• 统计力学
• 理论化学

• 原子力显微镜（AFM）
• 扫描电子显微镜（SEM）
• 透射电子显微镜（TEM）

• 动态光散射（DLS）
• 基质辅助激光解吸/电离（MALDI）光谱
• 核磁共振波谱学
• 尺寸排阻色谱法（SEC）

• 椭偏仪
• 二维X射线衍射（XRD）
• 拉曼光谱/显微镜

• 辉光放电光发射光谱法
• 飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）
• X射线光电子能谱（XPS）

• DNA合成
• 纳米粒子合成
• 有机合成
• 肽合成
• 聚合物合成

• 聚焦离子束（FIB）
• 轮廓仪
• 紫外光电子能谱（UPS）
• 振动总和频率生成

至少有三所大学提供专门用于分子工程研究生学位：在芝加哥大学，在华盛顿大学和京都大学。这些计划是跨学科的研究所，有来自几个研究领域的教师。

学术期刊《分子系统设计与工程》发表了来自各个学科领域的研究，这些研究表明“针对特定系统功能和性能的分子设计或优化策略”。