分子工程

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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,...

什么是分子工程

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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。



分子工程是一个动态且不断发展的领域,具有复杂目标问题。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。

应用

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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:

消费品

分子工程

能量收集和储存

环境工程

免疫疗法

  • 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)

合成生物学

  • 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 -改变现有蛋白质结构以实现特定的新功能,或创建完全人工的蛋白
  • DNA功能化的材料-DNA缀合的纳米粒子晶格的3D组装

使用的技术和仪器

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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。

计算和理论方法

太平洋西北国家实验室的一名使用环境透射电子显微镜的EMSL科学家。ETEM提供就地功能,可在动态操作条件下对材料进行原子分辨率成像和光谱研究。与传统的高真空下TEM操作相比,EMSL的ETEM独特地允许在高温和气体环境中成像。

显微镜

分子表征

光谱学

  • 椭偏仪
  • 二维X射线衍射(XRD)
  • 拉曼光谱/显微镜

表面科学

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

合成方法

  • DNA合成
  • 纳米粒子合成
  • 有机合成
  • 肽合成
  • 聚合物合成

其他工具

  • 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

研究/教育

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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”。

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词条目录
  1. 什么是分子工程
  2. 应用
  3. 消费品
  4. 能量收集和储存
  5. 环境工程
  6. 免疫疗法
  7. 合成生物学
  8. 使用的技术和仪器
  9. 计算和理论方法
  10. 显微镜
  11. 分子表征
  12. 光谱学
  13. 表面科学
  14. 合成方法
  15. 其他工具
  16. 研究/教育

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