Ingeniería molecular

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La ingeniería molecular es un campo emergente de estudio relacionado con el diseño y la prueba de propiedades moleculares, el comportamiento y las interacciones con el fin de ensamblar mejores materiales, sistemas y procesos para funciones específicas. Este enfoque, en el cual las propiedades observables de un sistema macroscópico están influenciadas por la alteración directa de una estructura molecular, cae dentro de 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, abarca  aspectos de ingeniería química, ciencia de los materiales, bioingeniería, ingeniería eléctrica, física, ingeniería mecánica y química. También hay un considerable solapamiento con la nanotecnología, en la que ambos están preocupados por el comportamiento de los materiales en la escala de nanómetros o menos. Dada la naturaleza altamente fundamental de las interacciones moleculares, hay una gran cantidad de áreas de aplicación potenciales, limitadas tal vez sólo por la imaginación y las leyes de la física. Sin embargo, algunos de los primeros éxitos de la ingeniería molecular se han dado 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 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 basarse en correlaciones empíricas bien descritas pero poco entendidas 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 las necesidades pendientes en numerosos campos, desde la energía hasta la asistencia sanitaria y la electrónica. Además, con la mayor sofisticación de la tecnología, los enfoques de prueba y error a menudo son 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[editar]

La ingeniería molecular fue mencionada por primera vez en la literatura de investigación en 1956 por Arthur R. von Hippel, quien la definió como "... un nuevo modo de pensar sobre problemas de ingeniería. En lugar de tomar materiales prefabricados y tratar de diseñar aplicaciones de ingeniería consistentes con sus propiedades macroscópicas, uno construye materiales a partir de sus átomos y moléculas para el propósito en cuestión ".[1]​ Este concepto se hizo eco en la conferencia seminal de Richard Feynman’s de 1959, There's Plenty of Room at the Bottom,que se considera ampliamente como el nacimiento de algunas de las ideas fundamentales del campo de la nanotecnología. A pesar de la temprana introducción de estos conceptos, no fue hasta mediados de la década de 1980 con la publicación de Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology por Drexler que los conceptos modernos de la ciencia a escala nanométrica y molecular comenzaron a crecer en la conciencia del público. 

El descubrimiento de las propiedades conductoras de electricidad en el poliacetileno por Alan J. Heeger en 1977[2]​ 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 eestos materiales han dado lugar a una serie de innovaciones que incluyen diodos emisores de luz orgánicos y células solares flexibles. 

Aplicaciones[editar]

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 las disciplinas para abarcar el campo desde la teoría del diseño hasta la producción de materiales, y desde el diseño del dispositivo hasta el desarrollo del producto. Por lo tanto, si bien el concepto de ingeniería racional de la tecnología de abajo hacia arriba no es nuevo, aún está lejos de ser ampliamente traducido en esfuerzos de I&D. 

La ingeniería molecular se usa en muchas industrias. Algunas aplicaciones de tecnologías donde la ingeniería molecular juega un papel fundamental:

Productos de consumidor[editar]

  • Superficies de antibióticos (por ejemplo, incorporación de nanopartículas de plata o péptidos antibacterianos en recubrimientos para prevenir la infección microbiana)[3]
  • Cosméticos (por ejemplo, modificación reológica con moléculas pequeñas y surfactantes en champú)
  • Productos de limpieza (por ejemplo, nanoplata en detergente para ropa)
  • Productos electrónicos de consumo (pantallas orgánicas de diodos emisores de luz (OLED))
  • Ventanas electrocrómicas (por ejemplo, ventanas en Dreamliner 787)
  • Vehículos con emisiones cero (por ejemplo, pilas / pilas de combustible avanzadas)
  • Superficies autolimpiantes (por ejemplo, súperrevestimientos superficiales hidrófobos)

El aprovechamiento de la energía y de Almacenamiento[editar]

  •  Baterías de flujo - moléculas sintetizadas para electrolitos de alta densidad de energía y membranas altamente selectivas en sistemas de almacenamiento de energía a escala de red.[4]
  • Batería de ion de litio - creación de moléculas nuevas para usar como aglutinantes de electrodos, electrolitos, aditivos electrolíticos o incluso para el almacenamiento de energía directamente a fin de mejorar la densidad energética (utilizando materiales como grafeno, nanovarillas de silicio y batería de litio), densidad de potencia, ciclo vida y seguridad.[5][6][7][8][9][10][11]
  • Célula fotoeléctrica - Desarrollo de nuevos materiales para ser más eficientes y económicas las células solares incluyendo lo orgánico , celda solar de punto cuántico o perovskite-basada en energía solar fotovoltáica.
  • División de agua fotocatalítica: mejora de la producción de combustible de hidrógeno utilizando energía solar y materiales catalíticos avanzados como nanopartículas semiconductoras

Ingeniería medioambiental[editar]

  • Desalinización del agua (por ejemplo, membranas nuevas para la eliminación de iones de bajo costo altamente eficiente [12]​)
  • Remediación del suelo (por ejemplo, nanopartículas catalíticas que aceleran la degradación de contaminantes del suelo de larga vida, como compuestos orgánicos clorados[13]​)
  • Secuestro de carbono (por ejemplo, nuevos materiales para la adsorción de CO2[14]​)

Inmunoterapia[editar]

  • Las vacunas basadas en péptidos (por ejemplo, ensambles macromoleculares de péptidos anfifílicos inducen una respuesta inmune robusta)[15]

Biología sintética[editar]

  • CRISPR -técnica de edición de genes más rápida y eficiente
  • Suministro 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 organismos para optimizar la producción de sustancias químicas (por ejemplo, genómica sintética)
  • Ingeniería de proteínas - alteración de la estructura de las proteínas existentes para permitir nuevas funciones específicas o la creación de proteínas completamente artificiales

Las técnicas y los instrumentos utilizados[editar]

Los ingenieros moleculares utilizan instrumentos y herramientas sofisticados para hacer y analizar las interacciones de moléculas y las superficies de materiales en el molecular y nano-escala. La complejidad de las moléculas que son introducidos en la superficie está aumentando, y las técnicas utilizaron para analizar características de superficie en el nivel molecular son que cambian nunca y mejorando. Mientras tanto, los adelantos en informática de rendimiento alto han mucho expandió el uso de simulacro de ordenador en el estudio de sistemas de escala molecular.

Aproximaciones computacionales y Teóricas[editar]

Un científico de EMSL que usa el microscopio electrónico de transmisión ambiental en Pacific Northwest National Laboratory. El ETEM proporciona capacidades in situ que permiten obtener imágenes de resolución atómica y estudios espectroscópicos de materiales en condiciones de funcionamiento dinámicas. A diferencia del funcionamiento tradicional de TEM bajo alto vacío, el ETEM de EMSL permite imágenes de forma exclusiva en ambientes de alta temperatura y gases. 

Microscopia[editar]

Caracterización molecular[editar]

Espectroscopia[editar]

Ciencia de superficie[editar]

Métodos sintéticos[editar]

Otras Herramientas[editar]

  • Haz de Iones enfocado (FIB)
  • Rugosímetro
  • UV x y Espectroscopía de Fotoelectrones (UPS)
  • Vibración De La Suma De La Generación De La Frecuencia

Educación / Investigación[editar]

Al menos tres universidades ofrecen títulos de postgrado dedicados a la ingeniería molecular: la Universidad de Chicago,[16]​ la Universidad de Washington,[17]​ y la Universidad de Kyoto.[18]​ Estos programas son de carácter interdisciplinario institutos con profesores de varias áreas de investigación.

La revista Molecular de los Sistemas de Diseño e Ingeniería[19]​ publica resultados de investigación desde una amplia variedad de áreas temáticas que demuestra "un diseño molecular o estrategia de optimización de la orientación de los sistemas específicos de funcionalidad y rendimiento."

Ve también[editar]

Temas generales[editar]

Referencias[editar]

  1. «Molecular Engineering». Science 123 (3191). 1956. 
  2. «Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene». Physical Review Letters 39 (17): 1098-1101. 1 de enero de 1977. Bibcode:1977PhRvL..39.1098C. doi:10.1103/PhysRevLett.39.1098. 
  3. «Antibacterial Surface Treatment for Orthopaedic Implants». International Journal of Molecular Sciences (en inglés) 15 (8): 13849-13880. 11 de agosto de 2014. doi:10.3390/ijms150813849. 
  4. «A subtractive approach to molecular engineering of dimethoxybenzene-based redox materials for non-aqueous flow batteries». J. Mater. Chem. A (en inglés) 3 (29): 14971-14976. 14 de julio de 2015. ISSN 2050-7496. doi:10.1039/c5ta02380g. 
  5. «Toward an Ideal Polymer Binder Design for High-Capacity Battery Anodes». Journal of the American Chemical Society (en inglés) 135 (32): 12048-12056. 31 de julio de 2013. PMID 23855781. doi:10.1021/ja4054465. 
  6. «Highly Adhesive and Soluble Copolyimide Binder: Improving the Long-Term Cycle Life of Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries». ACS Applied Materials & Interfaces (en inglés) 7 (27): 14851-14858. 30 de junio de 2015. doi:10.1021/acsami.5b03364. 
  7. «Recent Progress in Research on High-Voltage Electrolytes for Lithium-Ion Batteries». ChemPhysChem (en inglés) 15 (10): 1956-1969. 21 de julio de 2014. ISSN 1439-7641. doi:10.1002/cphc.201402175. 
  8. «Positive Electrode Passivation by LiDFOB Electrolyte Additive in High-Capacity Lithium-Ion Cells». Journal of The Electrochemical Society (en inglés) 159 (12): A2109-A2117. 1 de enero de 2012. ISSN 0013-4651. doi:10.1149/2.083212jes. 
  9. «New Laminar Batteries | Printed Electronics World». 18 de mayo de 2007. Consultado el 6 de agosto de 2016. 
  10. «Polymer-Bound Pyrene-4,5,9,10-tetraone for Fast-Charge and -Discharge Lithium-Ion Batteries with High Capacity». Journal of the American Chemical Society (en inglés) 134 (48): 19694-19700. 20 de noviembre de 2012. PMID 23130634. doi:10.1021/ja306663g. 
  11. «Heavily n-Dopable π-Conjugated Redox Polymers with Ultrafast Energy Storage Capability». Journal of the American Chemical Society (en inglés) 137 (15): 4956-4959. 11 de abril de 2015. doi:10.1021/jacs.5b02290. 
  12. «Water desalination using nanoporous single-layer graphene». Nature Nanotechnology 10 (5): 459-464. Bibcode:2015NatNa..10..459S. doi:10.1038/nnano.2015.37. 
  13. «Field assessment of carboxymethyl cellulose stabilized iron nanoparticles for in situ destruction of chlorinated solvents in source zones». Water Research 44 (7): 2360-2370. 1 de abril de 2010. doi:10.1016/j.watres.2009.12.041. 
  14. Pelley, Janet. «Better Carbon Capture Through Chemistry | Chemical & Engineering News». cen.acs.org. Consultado el 6 de agosto de 2016. 
  15. «Self-Assembled Peptide Amphiphile Micelles Containing a Cytotoxic T-Cell Epitope Promote a Protective Immune Response In Vivo». Advanced Materials (en inglés) 24 (28): 3845-3849. 24 de julio de 2012. ISSN 1521-4095. doi:10.1002/adma.201200209. 
  16. «Institute for Molecular Engineering». ime.uchicago.edu. Consultado el 6 de agosto de 2016. 
  17. «Molecular Engineering & Sciences Institute». www.moles.washington.edu. Consultado el 6 de agosto de 2016. 
  18. «Top page - Kyoto University, Department of Molecular Engineering». www.ml.t.kyoto-u.ac.jp. Consultado el 6 de agosto de 2016. 
  19. «Molecular Systems Design & Engineering». Royal Society of Chemistry. 31 de julio de 2014. Consultado el 6 de agosto de 2016.