分子工学 - 百科事典

分子工学は、特定の機能のためのより良い材料、システム、プロセスを構築するために、分子の性質、挙動、相互作用の設計とテストに関心を持つ新興の研究分野です。このアプローチは、宏观システムの観察可能な性質が分子構造の直接的な変更によって影響を受けるものであり、「ボトムアップ」設計のより広いカテゴリーに属します。この分野は、計算科学の研究に関連して化学情報学に非常に関連しています。

分子工学は、本質的に高度に多領域横断的なものであり、化学工学、材料科学、生物工学、電気工学、物理学、機械工学、化学の分野を含みます。ナノテクノロジーとも相当な重複がありますが、両方ともナノメーターやそれ以下のスケールの材料の挙動に関心があります。分子相互作用の非常に基本的な性質を考慮すると、多くの潜在的な応用分野がありますが、物理法則の制約や想像力によって限られています。しかし、分子工学の初期の成功は、免疫療法、合成生物学、プリントエレクトロニクス（分子工学の応用を参照）などの分野で見られます。

分子工学は、複雑なターゲット問題を持ち、動的で進化している分野であり、学際的な知識を持ち合わせた高度で創造的なエンジニアが必要です。分子原理に基づく合理的な工学手法は、工学分野全体で一般的な試行錯誤のアプローチとは対照的です。システムの構成とその性質の間の明確に記述されているが、よく理解されていない経験則に依存するのではなく、分子設計アプローチは、その化学的および物理的起源の理解を使ってシステムの性質を直接操作することを目指します。これにより、エネルギーから医療、電子機器まで多くの分野で未解決のニーズを解決するために必要な基本的に新しい材料とシステムが生まれます。さらに、技術の高度化により、試行錯誤のアプローチは高価で難しくなることが多く、複雑なシステム内の変数間の全ての関連する依存関係を考慮することが難しい場合があります。分子工学の取り組みには、計算ツール、実験方法、またはその両方を組み合わせたものが含まれることがあります。

歴史
分子工学は1956年にアーサー・R・フォン・ヒッペルによって研究文献に初めて登場しました。彼はそれを「…工学問題に対する新しい思考の方法」と定義しました。「既製の材料を取り、その宏观的な性質に一致する工学応用を試みるのではなく、目的に応じて原子と分子から材料を構築する」と述べました。この概念は、リチャード・フェインマンの1959年の画期的な講演「There's Plenty of Room at the Bottom」に繋がり、ナノテクノロジーの分野の基本的な考え方の一部として広く認められました。これらの概念が紹介されたにもかかわらず、1980年代半ばにDrexlerの「Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology」の出版により、ナノおよび分子スケールの科学の現代的概念が公衆の意識に広まり始めました。

1977年にアラン・J・ヒーガーがポリアセチレンに電気伝導性を発見することで、有機電子工学の分野が実際に開かれました。これにより、多くの分子工学の取り組みが基礎を築かれました。これらの材料の設計と最適化は、有機光発振二極管や柔軟な太陽電池などの多くの革新につながりました。

応用
分子設計は、生物工学、化学工学、電気工学、材料科学、機械工学、化学など多くの学問分野の重要な要素です。しかし、設計理論から材料生産、デバイス設計から製品開発に至るまでの分野を横断するための人員の集約が続いている課題があります。したがって、ボトムアップから技術を合理的に工学設計するという概念は古くからあるものの、それが広くR&D活動に翻訳されるにはまだ遠いです。

分子工学は多くの産業で使用されています。分子工学が重要な役割を果たす技術の応用例には以下のようなものがあります：

= 消費者製品 =
抗生物質表面（例：コーティングに銀ナノ粒子や抗生物質ペプチドを組み込んで微生物感染を防ぐ）
化粧品（例：シャンプーに小分子や界面活性剤を加えて流動性を調整）
清掃用品（例：洗剤にナノシルバーを加える）
消費者電子機器（例：有機光発振二極管（OLED）ディスプレイ）
電気変色窓（例：ボーイング787ドリームライナーの窓）
排出ガスゼロ車両（例：高度な燃料電池/バッテリー）
自己清掃表面（例：超撥水表面コート）

= エネルギー収集と貯蔵 =
フロー電池 - グリッド規模のエネルギー貯蔵システム用の高エネルギー密度電解質と高度に選択的な膜の分子の合成
リチウムイオン電池 - 高エネルギー密度、高パワーダ密度、サイクル寿命、安全性を向上させるための電極バインダー、電解質、電解質添加剤、またはエネルギー貯蔵に直接使用される新しい分子の作成
太陽電池 - 有機、量子ドット、ペロブスカイトに基づくより効率的でコスト効果の高い太陽電池用の新しい材料の開発
光触媒水分裂 - 太陽エネルギーと高度な触媒材料（半導体ナノ粒子など）を使用して水素燃料の生産を促進

= 環境工学 =
水脱塩（例：高効率で低コストのイオン除去用の新しい膜）
土壌修復（例：長期間にわたる土壌汚染物質（塩素化合物など）の分解を促進する触媒ナノ粒子）
炭素固定（例：CO2吸着用の新しい材料）

= 免疫療法 =
ペプチドベースのワクチン（例：アンフィフィルICなペプチドマクロ分子アソシエーションが強力な免疫反応を引き起こす）
ペプチド含有のバイオ医薬品（例：ナノ粒子、リポソーム、ポリ電解質ミセルなどの輸送 vehicle）

= 合成生物学 =
CRISPR - より速く効率的な遺伝子編集技術
遺伝子導入/遺伝子治療 - 改変されたまたは新しい遺伝子を生物の細胞に導入する分子の設計
代謝工学 - 生物の代謝を変更して化学物質の生産を最適化
タンパク質工学 - 現在のタンパク質の構造を変更して特定の新しい機能を可能にするか、完全に人工的なタンパク質を作成
DNA機能化材料 - DNA結合ナノ粒子ラテットの3Dアソシエーション

使用される技術と機器
分子工学は、分子および材料の表面の分子スケールおよびナノスケールでの相互作用を作成および分析するために、高度なツールと機器を使用します。表面に導入される分子の複雑さは増加しており、分子レベルでの表面特性の分析に使用される技術は常に変化し、改善されています。一方、高性能計算の進歩により、分子スケールシステムの研究におけるコンピュータシミュレーションの使用が大幅に拡大しました。

= 計算および理論的アプローチ =
計算化学
高性能計算
分子動力学
分子モデリング
統計力学
理論化学
トポロジー

= 微鏡 =
原子力微鏡（AFM）
走査型電子顕微鏡（SEM）
透過型電子顕微鏡（TEM）

= 分子特性 =
動的光散乱（DLS）
マトリックスアシストドレーザーディスオラシオン/イオン化（MALDI）スペクトコスコープ
核磁気共鳴（NMR）スペクトルコスコープ
サイズ排他クロマトグラフィ（SEC）

= 光度計 =
エリプソメトリー
2次元X線回折（XRD）
ラマン光度計/顕微鏡

= 表面科学 =
放電光学線放出スペクトロメトリー
時速飛行二次イオン質量分析（ToF-SIMS）
X線光電子スペクトロスコープ（XPS）

= 合成方法 =
DNA合成
ナノ粒子合成
有機合成
ペプチド合成
ポリマー合成

= 他のツール =
集束イオンビーム（FIB）
プロファイルメータ
紫外光電子スペクトロスコープ（UPS）
振動和周波数生成

研究および教育
少なくとも3つの大学が分子工学に専念した大学院学位を提供しています：シカゴ大学、ワシントン大学、京都大学。これらのプログラムは、多くの研究分野の教員から構成される学際的な研究所です。

学術誌「Molecular Systems Design & Engineering」は、特定のシステム機能と性能に焦点を当てた分子設計や最適化戦略を示す多くの分野からの研究を発表しています。

参考資料