Ingeniería molecular

La ingeniería molecular es un campo de estudio emergente relacionado con el diseño y prueba de propiedades, comportamiento e interacciones moleculares para 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 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 superposición considerable con la nanotecnología, ya que ambas se ocupan del comportamiento de los materiales en la escala de nanómetros o más pequeños. Dada la naturaleza altamente fundamental de las interacciones moleculares, hay una plétora de posibles áreas de aplicación, limitadas quizás solo 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 ingeniería molecular).

La ingeniería molecular es un campo dinámico y en evolución con problemas de objetivos 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 mal entendidas entre la composición de un sistema y sus propiedades, un enfoque de diseño molecular busca manipular las propiedades del sistema directamente mediante la comprensión de sus orígenes químicos y físicos. Esto a menudo da lugar a materiales y sistemas fundamentalmente nuevos, que son necesarios para hacer frente a las necesidades pendientes en numerosos campos, desde la energía hasta la sanidad y la electrónica. Además, Con la sofisticación cada vez mayor de la tecnología, los enfoques de prueba y error suelen ser costosos y difíciles, ya que puede ser difícil dar cuenta de 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 "... uno construye materiales a partir de sus átomos y moléculas para el propósito en cuestión". Este concepto se repitió en la conferencia seminal de 1959 de Richard Feynman There's Plenty of Room at the Bottom, que es ampliamente considerada como la fuente 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 Nanotechnologypor Drexler que los conceptos modernos de ciencia a escala nanométrica y molecular comenzaron a crecer en la conciencia pública.

El descubrimiento de las propiedades conductoras de electricidad en el poliacetileno por parte de 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 orgánicos emisores de luz y células solares flexibles.

Aplicaciones

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 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 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)
• Cosméticos (por ejemplo, modificación reológica con moléculas pequeñas y tensioactivos en champú)
• Productos de limpieza (por ejemplo, nanoplata en detergente para ropa)
• Electrónica de consumo (por ejemplo, pantallas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED))
• Ventanas electrocrómicas (por ejemplo, ventanas en el Boeing 787 Dreamliner)
• Vehículos de cero emisiones (p. ej., pilas/baterías de combustible avanzadas)
• Superficies autolimpiantes (p. ej., revestimientos superficiales súper hidrofóbicos)

Recolección y almacenamiento de energía

• Baterías de flujo: síntesis de moléculas para electrolitos de alta densidad de energía y membranas altamente selectivas en sistemas de almacenamiento de energía a escala de red.
• Baterías de iones de litio: creación de nuevas moléculas para usar como aglutinantes de electrodos, electrolitos, aditivos de electrolitos o incluso para el almacenamiento de energía directamente con el fin de mejorar la densidad de energía (usando materiales como grafeno, nanovarillas de silicio y litio metálico), densidad de potencia, ciclo vida y seguridad.
• Células solares: desarrollo de nuevos materiales para células solares más eficientes y rentables, incluidas las fotovoltaicas orgánicas, de puntos cuánticos o basadas en perovskita.
• Separación de agua fotocatalítica: 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 la eliminación de iones de bajo costo y alta eficiencia)
• Remediación del suelo (p. ej., nanopartículas catalíticas que aceleran la degradación de los contaminantes del suelo de vida prolongada, como los 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 respuesta inmunitaria robusta)
• Productos biofarmacéuticos que contienen péptidos (p. ej., 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 modificados o nuevos en células de organismos vivos para curar trastornos genéticos
• Ingeniería metabólica: modificación del metabolismo de los organismos para optimizar la producción de productos químicos (p. ej., genómica sintética)
• Ingeniería de proteínas: alteración de la estructura de las proteínas existentes para habilitar 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 computación de alto rendimiento han ampliado en gran medida el uso de la simulación por computadora en el estudio de sistemas a escala molecular.

Enfoques computacionales y teóricos

• química computacional
• Computación de alto rendimiento
• dinámica molecular
• Modelado molecular
• Mecánica estadística
• química teórica
• Topología

Microscopía

• Microscopía de fuerza atómica (AFM)
• Microscopía electrónica de barrido (SEM)
• Microscopía electrónica de transmisión (TEM)

Caracterización Molecular

• Dispersión de luz dinámica (DLS)
• Espectroscopía de desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI)
• Espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN)
• Cromatografía de exclusión por tamaño (SEC)

Espectroscopia

• Elipsometría
• Difracción de rayos X 2D (XRD)
• Espectroscopía Raman/Microscopía

Ciencia de la superficie

• Espectrometría de emisión óptica de descarga luminiscente
• Espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (ToF-SIMS)
• Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS)

Métodos Sintéticos

• síntesis de ADN
• Síntesis de nanopartículas
• Síntesis orgánica
• Síntesis de péptidos
• Síntesis de polímeros

Otras herramientas

• Haz de iones enfocado (FIB)
• perfilómetro
• Espectroscopía de fotoelectrones UV (UPS)
• Generación de frecuencia de suma vibratoria

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".