分子工学

分子工学は、特定の機能のために、より優れた材料、システム、プロセスを構築するために、分子の特性、挙動、相互作用の設計とテストに関わる新しい研究分野です。分子構造を直接変更することで、マクロシステムの観察可能な特性が影響を受けるこのアプローチは、「ボトムアップ」設計のより広いカテゴリに分類されます。

分子工学は、化学工学、材料科学、生物工学、電気工学、物理学、機械工学、化学の側面を包含する、本質的に非常に学際的な分野です。また、どちらもナノメートル以下のスケールでの材料の挙動に関係しているという点で、ナノテクノロジーとの重複もかなりあります。分子相互作用の非常に基本的な性質を考えると、想像力と物理法則によってのみ制限される可能性のある分野は無数にあります。ただし、分子工学の初期の成功のいくつかは、免疫療法、合成生物学、およびプリンタブルエレクトロニクスの分野で実現されています（分子工学の応用を参照）。

分子工学は、複雑な対象問題を抱える動的かつ進化する分野です。ブレークスルーには、分野を超えて精通した、洗練された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方法論は、工学分野全体で一般的に広く行われている試行錯誤のアプローチとは対照的です。分子設計アプローチでは、システムの構成とその特性との間の、よく説明されているがよく理解されていない経験的相関関係に頼るのではなく、化学的および物理的起源を理解することで、システム特性を直接操作しようとします。これにより、エネルギーからヘルスケア、エレクトロニクスまで、多くの分野で未解決のニーズに対応するために必要とされる、根本的に新しい材料やシステムが生まれることがよくあります。さらに、技術の高度化に伴い、複雑なシステム内の変数間の関連する依存関係をすべて考慮することが困難な場合があり、試行錯誤のアプローチはコストがかかり困難になることがよくあります。分子工学の取り組みには、計算ツール、実験方法、またはその両方の組み合わせが含まれる場合があります。

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言及され、彼は分子工学を「工学的問題に対する新しい考え方。既成の材料を採用し、そのマクロ的特性と一致する工学的応用を考案するのではなく、目的に合わせて原子や分子から材料を構築する」と定義しました。^[1]この概念は、リチャード・ファインマンの1959年の独創的な講演「底辺には十分な余地がある」にも反映されており、この講演はナノテクノロジー分野の基本的なアイデアのいくつかを生み出したと広く考えられています。これらの概念は早くから導入されていましたが、ナノおよび分子スケールの科学という現代の概念が一般の人々の意識に広まり始めたのは、1980年代半ばにドレクスラーが「創造のエンジン：ナノテクノロジーの到来」を出版してからでした。

1977年にアラン・J・ヒーガーがポリアセチレンの導電性を発見したことで^[2]、有機エレクトロニクスの分野が事実上開拓され、多くの分子工学の取り組みの基礎となりました。これらの材料の設計と最適化は、有機発光ダイオードやフレキシブル太陽電池など、多くの革新をもたらしました。

分子設計は、バイオエンジニアリング、化学工学、電気工学、材料科学、機械工学、化学など、学術界の多くの分野で重要な要素となっています。しかし、現在も課題となっているのは、設計理論から材料生産、デバイス設計から製品開発まで、分野間で十分な人材を集めることです。したがって、ボトムアップの合理的技術エンジニアリングの概念は新しいものではありませんが、R&D 活動に広く取り入れられるにはまだまだ遠い状況です。

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をいくつか挙げます。

• 抗生物質表面（例えば、微生物感染を防ぐために銀ナノ粒子や抗菌ペプチドをコーティングに組み込む） ^[3]
• 化粧品（例：シャンプー中の小分子および界面活性剤によるレオロジー改質）
• 洗浄製品（例：洗濯洗剤に含まれるナノシルバー）
• 民生用電子機器（例：有機発光ダイオードディスプレイ（OLED））
• エレクトロクロミックウィンドウ（例：ボーイング787ドリームライナーの窓）
• ゼロエミッション車（先進燃料電池/バッテリーなど）
• セルフクリーニング表面（例：超疎水性表面コーティング）

• フロー電池- グリッド規模のエネルギー貯蔵システムにおける高エネルギー密度電解質と高選択性膜のための分子の合成。^[4]
• リチウムイオン電池- エネルギー密度（グラフェン、シリコンナノロッド、リチウム金属などの材料を使用）、電力密度、サイクル寿命、安全性を向上させるために、電極バインダー[5] [6] 電解質[7] 電解質添加剤[8] 、または直接^{エネルギー貯蔵}[ ⁹ ] [ ¹⁰ ] [11] として使用するための^新しい分子^を作成します。
• 太陽電池-有機、量子ドット、ペロブスカイトベースの太陽光発電など、より効率的でコスト効率の高い太陽電池用の新材料の開発。
• 光触媒水分解- 太陽エネルギーと半導体ナノ粒子などの先進触媒材料を使用して水素燃料の生産を強化

• 水の淡水化（例えば、高効率で低コストのイオン除去のための新しい膜）^[12]
• 土壌修復（例：塩素化有機化合物などの長寿命土壌汚染物質の分解を促進する触媒ナノ粒子）^[13]
• 炭素隔離（例： _CO2吸着用の新素材） ^[14]

• ペプチドベースのワクチン（例えば両親媒性ペプチド高分子集合体は強力な免疫反応を誘導する）^[15]
• ペプチド含有バイオ医薬品（例：ナノ粒子、リポソーム、送達媒体としての高分子電解質 ミセル） ^[16]

• CRISPR - より高速で効率的な遺伝子編集技術
• 遺伝子送達/遺伝子治療- 遺伝子疾患を治療するために、改変された遺伝子または新しい遺伝子を生きた生物の細胞に送達するための分子の設計
• 代謝工学- 化学物質の生産を最適化するために生物の代謝を変更する（例：合成ゲノミクス）
• タンパク質工学- 既存のタンパク質の構造を変えて特定の新しい機能を実現する、または完全に人工的なタンパク質を作成する
• DNA機能化材料 - DNA結合ナノ粒子格子の3Dアセンブリ^[17]

分子エンジニアは、分子と材料表面の相互作用を分子レベルおよびナノレベルで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しており、分子レベルで表面特性を分析するために使用される技術は絶えず変化し、改善されています。一方、高性能コンピューティングの進歩により、分子スケールのシステムの研究におけるコンピューター シミュレーションの使用が大幅に拡大しました。

• 計算化学
• 高性能コンピューティング
• 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

• 原子間力顕微鏡（AFM）
• 走査型電子顕微鏡（SEM）
• 透過型電子顕微鏡（TEM）

• 動的光散乱（DLS）
• マトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）分光法
• 核磁気共鳴（NMR）分光法
• サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）

• エリプソメトリー
• 2D X線回折（XRD）
• ラマン分光法/顕微鏡法

• グロー放電発光分光法
• 飛行時間型二次イオン質量分析法 (ToF-SIMS)
• X線光電子分光法（XPS）

• 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

• 集束イオンビーム（FIB）
• プロファイロメーター
• UV光電子分光法（UPS）
• 振動和周波発生

分子工学に特化した大学院課程を提供している大学は少なくとも3つあります。シカゴ大学^[18]、ワシントン大学[ ^19]、京都大学^[20]です。これらのプログラムは、複数の研究分野の教員を擁する学際的な研究所です。

学術誌「Molecular Systems Design & Engineering」^[21]は、「特定のシステムの機能と性能をターゲットにした分子設計または最適化戦略」を示すさまざまな分野からの研究を発表しています。

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