La ingeniería molecular es un campo de estudio emergente que se ocupa del diseño y prueba de propiedades, comportamiento e interacciones moleculares 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 la ingeniería química , la ciencia de los materiales , la bioingeniería , la ingeniería eléctrica , la física , la ingeniería mecánica y la química . También existe una considerable superposición con la nanotecnología , en el sentido de que ambas se ocupan del comportamiento de materiales en la escala de nanómetros o menos. Dada la naturaleza sumamente fundamental de las interacciones moleculares, existe una plétora de áreas de aplicación potenciales, limitadas quizás sólo por la imaginación y las leyes de la física. Sin embargo, algunos de los primeros éxitos de la ingeniería molecular se produjeron en los campos de la inmunoterapia, la biología sintética y la electrónica imprimible (ver aplicaciones de la ingeniería molecular).
La ingeniería molecular es un campo dinámico y en evolución con problemas complejos; 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 ingeniería. En lugar de depender de correlaciones empíricas bien descritas pero poco comprendidas entre la composición de un sistema y sus propiedades, un enfoque de diseño molecular busca manipular las propiedades del sistema directamente utilizando una comprensión de sus orígenes químicos y físicos. Esto a menudo da lugar a materiales y sistemas fundamentalmente nuevos, que son necesarios para abordar necesidades pendientes en numerosos campos, desde la energía hasta la atención sanitaria y la electrónica. Además, con la creciente sofisticación de la tecnología, los enfoques de prueba y error suelen ser costosos y difíciles, ya que puede resultar 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 "... una nueva forma de pensar en los problemas de ingeniería. En lugar de tomar materiales prefabricados y tratar de idear aplicaciones de ingeniería consistentes con sus propiedades macroscópicas, uno construye materiales a partir de sus átomos y moléculas para el propósito que tiene entre manos". [1] Este concepto tuvo eco en la conferencia fundamental de Richard Feynman de 1959 Hay mucho espacio en el fondo , que es ampliamente considerada como el origen 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 de Drexler , que los conceptos modernos de ciencia a escala nano y molecular comenzaron a crecer en el público. conciencia.
El diseño molecular ha sido un elemento importante de muchas disciplinas académicas, incluidas 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 disciplinas para abarcar 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 desde abajo hacia arriba no es nuevo, todavía está lejos de traducirse 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) [3]
Cosméticos (por ejemplo, modificación reológica con moléculas pequeñas y tensioactivos en champú)
Productos de limpieza (por ejemplo, nanoplata en detergente para ropa)
Baterías de flujo : síntesis de moléculas para electrolitos de alta densidad energética y membranas altamente selectivas en sistemas de almacenamiento de energía a escala de red. [4]
Baterías de iones de litio : creación de nuevas moléculas para su uso como aglutinantes de electrodos, [5] [6] electrolitos, [7] aditivos de electrolitos, [8] o incluso para el almacenamiento de energía directamente [9] [10] [11] con el fin de mejorar densidad de energía (utilizando materiales como grafeno , nanobarras de silicio y metal de litio ), densidad de potencia, ciclo de vida y seguridad.
División fotocatalítica del agua : mejora de la producción de combustible de hidrógeno utilizando energía solar y materiales catalíticos avanzados, como nanopartículas semiconductoras.
Ingeniería Ambiental
Desalinización de agua (por ejemplo, nuevas membranas para una eliminación de iones altamente eficiente y de bajo costo) [12]
Remediación del suelo (por ejemplo, nanopartículas catalíticas que aceleran la degradación de contaminantes del suelo de larga duración, como los compuestos orgánicos clorados) [13]
Secuestro de carbono (por ejemplo, nuevos materiales para la adsorción de CO 2 ) [14]
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 de proteínas : alteración de la estructura de proteínas existentes para permitir nuevas funciones específicas o la creación de proteínas totalmente artificiales.
Materiales funcionalizados con ADN: ensamblajes 3D de redes de nanopartículas conjugadas con ADN [17]
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 informática de alto rendimiento han ampliado enormemente el uso de la simulación por computadora en el estudio de sistemas a escala molecular.
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 obtener imágenes con resolución atómica y estudios espectroscópicos de materiales en condiciones operativas dinámicas. A diferencia del funcionamiento tradicional de TEM en alto vacío, el ETEM de EMSL permite de forma única obtener imágenes en entornos de gas y alta temperatura.
Al menos tres universidades ofrecen títulos de posgrado dedicados a la ingeniería molecular: la Universidad de Chicago , [18] la Universidad de Washington , [19] y la Universidad de Kioto . [20] Estos programas son institutos interdisciplinarios con profesores de varias áreas de investigación.
La revista académica Molecular Systems Design & Engineering [21] 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".
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