分子工程是一個新興的研究領域，涉及分子特性，行為和相互作用的設計和測試，以便為特定功能組裝更好的材料，系統和過程。宏觀系統的可觀察特性受分子結構的直接改變影響的這種方法屬于“自下而上”設計的更廣泛類別。

分子工程本質上是高度跨學科的，涵蓋化學工程、材料科學、生物工程、電氣工程、物理學、機械工程和化學等方面。納米技術也有很多重疊，兩者都與納米級或更小的材料的性能有關。考慮到分子相互作用的高度基礎性，存在許多潛在的應用領域，可能僅受其想象力和物理定律的限制。但是，分子工程學的一些早期成功已經出現在免疫療法，合成生物學和可打印電子學領域。

分子工程是一個動態且不斷發展的領域，具有復雜的目標問題。要取得突破，就需要精通創新的工程師，他們需要跨學科交流。基于分子原理的合理工程方法與整個工程學科普遍采用的反復試驗法形成鮮明對比。分子設計方法不是依賴于系統組成及其特性之間的詳盡描述但未得到充分理解的經驗相關性，而是試圖通過了解它們的化學和物理起源來直接操縱系統特性。這通常會帶來從根本上來說新的材料和系統，這些新材料和系統可以滿足從能源到醫療保健再到電子產品等眾多領域的突出需求。另外，復雜系統。分子工程的工作可能包括計算工具，實驗方法或兩者的結合。

分子設計已成為學術界許多學科的重要元素，包括生物工程、化學工程、電氣工程、材料科學、機械工程和化學。但是，當前的挑戰之一是將各學科之間的關鍵人員聚集在一起，以跨越從設計理論到材料生產，從設備設計到產品開發的領域。因此，盡管從下至上的合理技術工程概念并不是什么新鮮事物，但距離將其廣泛轉化為研發工作還很遠。

分子工程被用于許多行業。在分子工程中起關鍵作用的一些技術應用：

• 抗生素表面（例如將納米銀顆粒或抗菌肽摻入涂層中以防止微生物感染）
• 化妝品（例如洗發劑中小分子和表面活性劑的流變改性）
• 清潔產品（例如洗衣粉中的納米銀）
• 消費類電子產品（例如有機發光二極管顯示器（OLED））
• 電致變色窗（例如，波音787 Dreamliner中的窗）
• 零排放車輛（例如，先進的燃料電池?/電池）
• 自潔表面（例如超疏水表面涂層）

• 液流電池?-用于網格規模儲能系統中高能量密度電解質和高選擇性膜的合成分子。
• 鋰離子電池 -用作電極粘結劑創建新的分子，電解質添加劑或甚至用于能量存儲直接為了提高能量密度（使用石墨烯、硅納米棒和鋰金屬等材料）、功率密度、循環壽命和安全性。
• 太陽能電池?-為提高效率和成本效益的太陽能電池開發新材料，包括基于有機，量子點或鈣鈦礦的光伏電池。
• 光催化水分解?-使用太陽能和先進的催化材料（例如半導體納米顆粒）提高氫燃料的生產

• 水脫鹽（例如用于高效低成本去除離子的新型膜）
• 土壤修復（例如，催化納米顆粒加速了長壽命土壤污染物（如氯化有機化合物）的降解）
• 固碳（例如，用于吸附CO?_2的新材料）

• 基于肽的疫苗（例如兩親性肽大分子裝配體可誘導強大的免疫反應）
• 含肽的生物藥物（例如，納米顆粒、脂質體、聚電解質微團作為運載工具）

• CRISPR-更快，更高效的基因編輯技術
• 基因傳遞?/?基因治療?-設計分子以將修飾的或新的基因傳遞到活生物體的細胞中以治愈遺傳疾病
• 代謝工程?-修改生物的代謝以優化化學物質的產生（例如合成基因組學）
• 蛋白質工程?-改變現有蛋白質的結構以實現特定的新功能，或創建完全人工的蛋白質
• DNA功能化的材料-DNA綴合的納米粒子晶格的3D組裝

分子工程師利用復雜的工具和儀器來制作和分析分子和納米尺度上的分子與材料表面的相互作用。引入表面的分子的復雜性正在增加，用于在分子水平分析表面特性的技術也在不斷變化和改進。同時，高性能計算的進步極大地擴展了計算機模擬在分子規模系統研究中的應用。

• 計算化學
• 高性能計算
• 分子動力學
• 分子模擬
• 統計力學
• 理論化學

• 原子力顯微鏡（AFM）
• 掃描電子顯微鏡（SEM）
• 透射電子顯微鏡（TEM）

• 動態光散射（DLS）
• 基質輔助激光解吸/電離（MALDI）光譜
• 核磁共振波譜學
• 尺寸排阻色譜法（SEC）

• 橢偏儀
• 二維X射線衍射（XRD）
• 拉曼光譜/顯微鏡

• 輝光放電光發射光譜法
• 飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）
• X射線光電子能譜（XPS）

• DNA合成
• 納米粒子合成
• 有機合成
• 肽合成
• 聚合物合成

• 聚焦離子束（FIB）
• 輪廓儀
• 紫外光電子能譜（UPS）
• 振動總和頻率生成

至少有三所大學提供專門用于分子工程研究生學位：在芝加哥大學，在華盛頓大學和京都大學。這些計劃是跨學科的研究所，有來自幾個研究領域的教師。

學術期刊《分子系統設計與工程》發表了來自各個學科領域的研究，這些研究表明“針對特定系統功能和性能的分子設計或優化策略”。