الهندسة الجزيئية

الهندسة الجزيئية مجال دراسي ناشئ يهتم بتصميم واختبار الخصائص والسلوكيات والتفاعلات الجزيئية بهدف تطوير مواد وأنظمة وعمليات أفضل لوظائف محددة. يندرج هذا النهج، الذي تتأثر فيه الخصائص الملحوظة لنظام ماكروسكوبي بتغيير مباشر في بنيته الجزيئية، ضمن فئة أوسع تُعرف بالتصميم "من الأسفل إلى الأعلى" . ويكتسب هذا المجال أهمية بالغة في مجال المعلوماتية الكيميائية ، لا سيما عند ربطه بالبحوث في العلوم الحاسوبية .

الهندسة الجزيئية مجال متعدد التخصصات بطبيعته، إذ تشمل جوانب من الهندسة الكيميائية ، وعلوم المواد ، والهندسة الحيوية ، والهندسة الكهربائية ، والفيزياء ، والهندسة الميكانيكية ، والكيمياء . كما يوجد تداخل كبير مع تقنية النانو ، حيث يهتم كلاهما بدراسة سلوك المواد على مقياس النانومتر أو أصغر. ونظرًا للطبيعة الأساسية للتفاعلات الجزيئية، تتعدد مجالات التطبيق المحتملة، والتي قد لا يحدها سوى الخيال وقوانين الفيزياء. مع ذلك، فقد تحققت بعض النجاحات المبكرة للهندسة الجزيئية في مجالات العلاج المناعي، والبيولوجيا التركيبية، والإلكترونيات القابلة للطباعة (انظر تطبيقات الهندسة الجزيئية ).

الهندسة الجزيئية مجالٌ ديناميكي ومتطور ذو مشكلات معقدة؛ ويتطلب تحقيق إنجازات رائدة مهندسين بارعين ومبدعين ملمين بمختلف التخصصات. وتتناقض منهجية الهندسة العقلانية القائمة على المبادئ الجزيئية مع أساليب التجربة والخطأ الشائعة في مختلف التخصصات الهندسية. فبدلاً من الاعتماد على علاقات تجريبية موصوفة بدقة ولكنها غير مفهومة جيدًا بين تركيب النظام وخصائصه، يسعى نهج التصميم الجزيئي إلى التحكم في خصائص النظام مباشرةً من خلال فهم أصولها الكيميائية والفيزيائية. وهذا غالبًا ما يُفضي إلى مواد وأنظمة جديدة كليًا، وهي ضرورية لتلبية احتياجات ملحة في مجالات عديدة، من الطاقة إلى الرعاية الصحية إلى الإلكترونيات. إضافةً إلى ذلك، ومع ازدياد تطور التكنولوجيا، غالبًا ما تكون أساليب التجربة والخطأ مكلفة وصعبة، إذ قد يصعب مراعاة جميع التبعيات ذات الصلة بين المتغيرات في نظام معقد . وقد تشمل جهود الهندسة الجزيئية أدوات حسابية، أو أساليب تجريبية، أو مزيجًا من الاثنين.

ذُكرت الهندسة الجزيئية لأول مرة في الأدبيات البحثية عام 1956 على يد آرثر ر. فون هيبل ، الذي عرّفها بأنها "... نمط جديد للتفكير في المشكلات الهندسية. فبدلاً من استخدام مواد جاهزة ومحاولة ابتكار تطبيقات هندسية تتوافق مع خصائصها الماكروية، يتم بناء المواد من ذراتها وجزيئاتها للغرض المطلوب." ^{[ 1 ]} وقد تكرر هذا المفهوم في محاضرة ريتشارد فاينمان الرائدة عام 1959 بعنوان "هناك متسع كبير في القاع" ، والتي تُعتبر على نطاق واسع منطلقًا لبعض الأفكار الأساسية في مجال تقنية النانو . وعلى الرغم من التقديم المبكر لهذه المفاهيم، إلا أنه لم تبدأ المفاهيم الحديثة لعلوم النانو والجزيئات في الانتشار على نطاق واسع إلا في منتصف ثمانينيات القرن العشرين مع نشر كتاب " محركات الخلق: العصر القادم لتقنية النانو" لدريكسلر .

أدى اكتشاف آلان ج. هيغر للخواص الموصلة للكهرباء في البولي أسيتيلين عام 1977 ^{[ 2 ]} إلى فتح آفاق جديدة في مجال الإلكترونيات العضوية ، التي أثبتت أهميتها البالغة للعديد من جهود الهندسة الجزيئية. وقد أسفر تصميم هذه المواد وتحسينها عن عدد من الابتكارات، بما في ذلك الثنائيات العضوية الباعثة للضوء والخلايا الشمسية المرنة .

لطالما شكّل التصميم الجزيئي عنصرًا هامًا في العديد من التخصصات الأكاديمية، بما في ذلك الهندسة الحيوية، والهندسة الكيميائية، والهندسة الكهربائية، وعلوم المواد، والهندسة الميكانيكية، والكيمياء. ومع ذلك، يتمثل أحد التحديات المستمرة في توفير الكوادر البشرية الكافية من مختلف التخصصات لتغطية نطاق العمل من نظرية التصميم إلى إنتاج المواد، ومن تصميم الأجهزة إلى تطوير المنتجات. لذا، فرغم أن مفهوم الهندسة العقلانية للتكنولوجيا من القاعدة إلى القمة ليس جديدًا، إلا أنه لا يزال بعيدًا عن التطبيق الواسع في جهود البحث والتطوير.

تُستخدم الهندسة الجزيئية في العديد من الصناعات. ومن تطبيقات التقنيات التي تلعب فيها الهندسة الجزيئية دورًا حاسمًا:

يستخدم مهندسو الجزيئات أدوات وأجهزة متطورة لتصنيع وتحليل تفاعلات الجزيئات مع أسطح المواد على المستويين الجزيئي والنانوي. وقد دفع التعقيد المتزايد للأنظمة الجزيئية المرتبطة بالأسطح إلى تطوير أساليب تحليل سطحية أكثر دقة. بالتوازي مع ذلك، أتاحت التطورات في الحوسبة عالية الأداء استخدامًا أوسع للنمذجة والمحاكاة الحاسوبية في دراسة الأنظمة على المستوى الجزيئي.

المناهج الحسابية والنظرية

• الكيمياء الحاسوبية
• الحوسبة عالية الأداء
• الديناميكا الجزيئية
• النمذجة الجزيئية
• الميكانيكا الإحصائية
• الكيمياء النظرية
• الطوبولوجيا

تقدم ثلاث جامعات على الأقل شهادات دراسات عليا متخصصة في الهندسة الجزيئية: جامعة شيكاغو ، ^{[ 18 ]} وجامعة واشنطن ، ^{[ 19 ]} وجامعة كيوتو . ^{[ 20 ]} وتُعد هذه البرامج معاهد متعددة التخصصات تضم أعضاء هيئة تدريس من عدة مجالات بحثية.

تنشر المجلة الأكاديمية Molecular Systems Design & Engineering ^{[ 21 ]} أبحاثًا من مجموعة واسعة من المجالات التي توضح "استراتيجية تصميم أو تحسين جزيئية تستهدف وظائف وأداء أنظمة محددة".