सिंथेटिक आणविक मोटर: Difference between revisions
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कृत्रिम आणविक प्रेरक एक ऊर्जा इनपुट के तहत निरंतर दिशात्मक घूर्णन गति में उपयोगी एवं सक्षम आणविक मशीनें हैं।[2] यद्यपि आण्विक प्रेरक शब्द पारंपरिक रूप से स्वाभाविक रूप द्वारा होने वाली प्रोटीन को संदर्भित करता है जो गति (प्रोटीन गतिशीलता के माध्यम से) प्रेरित करता है, कुछ समूह गैर-जैविक, गैर-पेप्टाइड कृत्रिम प्रेरकों का जिक्र करते समय भी इस शब्द का उपयोग करते हैं। कई रसायनज्ञ ऐसे आणविक प्रेरक के संश्लेषण का अनुसरण आज भी कर रहे हैं।
एक कृत्रिम प्रेरक के लिए मूलभूत आवश्यकताएँ दोहराई जाने वाली 360° की गति, ऊर्जा की वहन क्षमता और एकदिशीय घुमाव हैं।[citation needed] इस दिशा में पहले दो प्रयास, बोस्टन कॉलेज के डॉ. टी. रॉस केली द्वारा उनके सहकर्मियों के साथ रासायनिक रूप से संचालित प्रेरक तथा जर्नल बेन फेरिंगा व उनके सहकर्मियों द्वारा प्रकाश-चालित प्रेरक, 1999 में प्रकृति के इसी अंक में प्रकाशित किए गए थे।
2020 तक, सबसे छोटी परमाण्विक रूप से निर्धारित आणविक मशीन में एक परिभ्रमक होता है जिसमें चार परमाणु होते हैं।[3]
रासायनिक रूप से संचालित परिभ्रमकीय आणविक प्रेरक[4]
1999 में केली और उनके सहकर्मियों द्वारा कृत्रिम तथा रासायनिक रूप से संचालित परिभ्रमकीय आणविक प्रेरक के लिए एक प्राथमिक अवस्था का उदाहरण दिया गया था।[5] उनकी प्रणाली तीन-ब्लेड ट्रिप्टीसीन परिभ्रमक और एक हेलिकेन से बनी है, और एक यूनिडायरेक्शनल (एकदिशीय) 120 डिग्री घूर्णन गति करने में उपयोगी एवं सक्षम है।
यह परिक्रमा पांच चरणों में होती है। ट्राइप्टीसीन अंश पर उपस्थित अमीन समूह एक विषैली गैस (a) के साथ संघनन द्वारा एक आइसोसाइनेट समूह में परिवर्तित हो जाता है। केंद्रीय बंधन के चारों ओर थर्मल या सहज घूर्णन गति तब आइसोसायनेट समूह को हेलीसीन मोएटिटी (b) पर स्थित हाइड्रॉकसिल समूह की निकटता में लाने का प्रयास करता है, जिससे इन दोनों समूहों को एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करने की अनुमति मिलती है (c)। यह प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीयता प्रणाली को एक तनाव (रसायन विज्ञान) चक्रीय कार्बामेट के रूप में बांधे रखती है जो ऊर्जा में अधिक है और इस प्रकार मूल स्थिति की तुलना में घूर्णन गतिज ऊर्जा के सबसे समीप है। ट्रिप्टीसीन मौएटिटी के आगे घूर्णन गति की इस बाधा को दूर करने के लिए अपेक्षाकृत कम मात्रा में सक्रियण ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे तनाव (d) जारी होता है। अंत में, यूरेथेन समूह की दरार अणु (e) के अमीन और अल्कोहल कार्यात्मक समूह को पुनर्स्थापित करती है।
घटनाओं के इस क्रम का परिणाम हेलिसिन मौएटिटी के संबंध में ट्रिप्टीसीन मोएटिटी का एक यूनिडायरेक्शनल 120 डिग्री घूर्णन गति है। ट्रिप्टीसीन परिभ्रमक के अतिरिक्त आगे या पीछे घूमने को हेलिसिन मोएटिटी द्वारा बाधित किया जाता है, जो शाफ़्ट (उपकरण) के फ्यूज के समान कार्य करता है। सिस्टम की यूनिडायरेक्शनलिटी हेलिकेन मौएटिटी के असममित तिरछा और साथ ही सी में बनने वाले चक्रीय यूरेथेन के तनाव दोनों का परिणाम है। इस तनाव को केवल d में ट्रिप्टीसीन परिभ्रमक के घड़ी की दिशा में घूर्णन गति द्वारा ही कम किया जा सकता है, क्योंकि दोनों घड़ी की विपरीत दिशा में घूर्णन गति के साथ-साथ d की व्युत्क्रम प्रक्रिया ऊर्जावान रूप से प्रतिकूल है। इस संबंध में घूर्णन गति की दिशा के लिए प्राथमिकता कार्यात्मक समूहों की स्थिति और हेलिकेन के आकार दोनों के द्वारा निर्धारित की जाती है और इस प्रकार बाहरी कारकों द्वारा तय किए जाने के बजाय अणु के डिजाइन में निर्मित होती है।
केली और उनके सहकर्मियों द्वारा प्रेरक एक सबसे उपयुक्त उदाहरण है कि कैसे रासायनिक ऊर्जा का उपयोग नियंत्रित, यूनिडायरेक्शनल घूर्णन गति को प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है, एक प्रक्रिया जो जीवों में एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट की वहन क्षमता के समान होती है ताकि कई प्रक्रियाओं को बढ़ावा दिया जा सके। हालांकि, यह एक कई सारी विलक्षणताओं से परिपूर्ण है: घटनाओं का क्रम जो 120° घूर्णन गति की ओर ले जाता है, पुनः कार्यान्वन योग्य नहीं है। इसलिए केली और उनके सहकर्मियों ने सिस्टम को विस्तारित करने के तरीकों की खोज की है ताकि इस क्रम को बार-बार क्रियान्वित किया जा सके। दुर्भाग्य से, इस उद्देश्य को पूरा करने के उनके प्रयास सफल नहीं हुए हैं और वर्तमान में इस परियोजना को छोड़ दिया गया है।[6] 2016 में डेविड लेह (वैज्ञानिक) के समूह ने पहली स्वायत्त रासायनिक-ईंधन वाली कृत्रिम आणविक प्रेरक का आविष्कार किया।[7]
कृत्रिम रासायनिक रूप से संचालित परिभ्रमकीय आणविक प्रेरक के कुछ अन्य उदाहरण, जो सभी अभिकर्मकों के अनुक्रमिक जोड़ से संचालित होते हैं, उनकी सूचना दी गई है, जिसमें चिरल अभिकर्मकों के उपयोग से एक मिश्रण का गुच्छा बायरिल लैक्टोन की त्रिविम चयनात्मकता रिंग विक्षेपण की प्रतिक्रिया का उपयोग सम्मिलित है, जिसके परिणामस्वरूप एक निर्देशित होता है। ब्रांचऑड और उनके सहकर्मियों ने बताया है कि एक अतिरिक्त रिंग अग्रिम प्रक्रिया के बाद इस दृष्टिकोण का उपयोग गैर-दोहराए जाने योग्य 180 डिग्री घूर्णन गति को पूरा करने के लिए किया जा सकता है।[8]
फेरिंगा और उनके सहकर्मियों ने इस दृष्टिकोण का उपयोग एक अणु के अपने डिजाइन में किया जो 360 डिग्री घूर्णन गति को दोहरा सकता है।[9] इस आणविक प्रेरक का पूर्ण घूर्णन चार चरणों में होता है। आर्यल विक्षनरी के ए और सी घूर्णन गति के चरणों में: आंशिकता प्रतिबंधित है, हालांकि इस प्रक्रम में चुंबकीय हेलीसिटी व्युत्क्रमण संभव है। चरण बी और डी में एरील नेफ़थलीन के संबंध में घूम सकता है, जिसमें एरील को नेफ़थलीन को पारित करने से रोका जा सकता है। परिभ्रमकीय चक्र में रासायनिक रूप से प्रेरित चार चरण होते हैं जो एक चरण को अगले चरण में बदलने का संज्ञान कराते हैं। चरण 1 और 3 असममित रिंग विक्षेपण वाली प्रतिक्रियाएं हैं जो एरील के घूर्णन गति की दिशा को नियंत्रित करने के लिए एक चिरल अभिकर्मक का उपयोग करती हैं। चरण 2 और 4 में फिनोल के सुरक्षात्मक समूह सम्मिलित हैं, इसके बाद क्षेत्रीय चयनात्मकता रिंग का निर्माण होता है।
प्रकाश चालित परिभ्रमकीय आणविक प्रेरक
1999 में बेन फेरिंगा की प्रयोगशाला प्रो. नीदरलैंड के ग्रोनिंगन विश्वविद्यालय में डॉ. बेन एल. फेरिंगा ने एक दिशाहीन आणविक परिभ्रमक के निर्माण की सूचना दी।[10] उनकी 360 डिग्री आणविक प्रेरक प्रणाली में अक्षीय चिरायता प्रदर्शित करने वाले एल्केन द्वि-बंध से जुड़े एक बीआईएस-हेलीसीन होते हैं और दो स्टीरियोसेंटर होते हैं।
यूनिडायरेक्शनल घूर्णन गति के एक चक्र में उष्माक्षेपी प्रतिक्रिया चरण होते हैं। पहला प्रक्रम ट्रांस आइसोमर (P, P) आइसोमर '1' से SIS आइसोमर (M, M) '2' का कम तापमान एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया फोटोओमेराइजेशन है, जहां P दाएं पक्ष के कुंडलित वक्रता के लिए है और M बाएं पक्ष के हेलिक्स के लिए है। इस प्रक्रिया में, दो अक्षीय बंधन मिथाइल समूह दो कम त्रिविम बाधा अनुकूल भूमध्यरेखीय बंधन मिथाइल समूहों में परिवर्तित हो जाते हैं।
तापमान को 20 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाकर ये मिथाइल समूह एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया को (P, P) CIS अक्षीय समूहों ('3') में 'हेलिक्स व्युत्क्रम' में परिवर्तित कर देते हैं। क्योंकि अक्षीय आइसोमर विषुवतीय आइसोमर की तुलना में अधिक स्थिर है, इस कारण व्युत्क्रम घूर्णन गति अवरूद्ध हो जाती है। एक दूसरा फोटोआईसोमराइज़शन (P, P) CIS '3' को (M, M) ट्रांस '4' में परिवर्तित करता है, फिर से स्टेरिली प्रतिकूल भूमध्यरेखीय मिथाइल समूहों के गठन के साथ 60 डिग्री सेल्सियस पर एक थर्मल आइसोमेराइजेशन प्रक्रिया 360 डिग्री चक्र को वापस अक्षीय स्थिति में बंद कर देती है।
दूर करने के लिए एक बड़ी बाधा इन प्रणालियों में पूर्ण घूर्णन गति के लिए लंबा प्रतिक्रिया समय है, जो जैविक प्रणालियों में प्रेरक प्रोटीन द्वारा प्रदर्शित घूर्णन गति गति की तुलना नहीं करता है। अब तक की सबसे तेज़ प्रणाली में, फ्लोरीन के निचले आधे हिस्से के साथ, थर्मल हेलिक्स व्युत्क्रम का आधा जीवन 0.005 सेकंड है।[11] इस यौगिक को बार्टन-केलॉग प्रतिक्रिया का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है। माना जाता है कि इस अणु में इसके घूर्णन गति में सबसे धीमा प्रक्रम, ऊष्मीय रूप से प्रेरित हेलिक्स-व्युत्क्रम, और अधिक तेजी से आगे बढ़ना माना जाता है क्योंकि बड़ा टर्ट-ब्यूटाइल टर्ट-ब्यूटाइल समूह अस्थिर आइसोमर को मिथाइल समूह के उपयोग से भी कम स्थिर बनाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अस्थिर आइसोमर संक्रमण अवस्था की तुलना में अधिक अस्थिर होता है जो हेलिक्स-इनवर्जन की ओर जाता है। दो अणुओं के अलग-अलग व्यवहार को इस तथ्य से स्पष्ट किया गया है कि तृतीयक-ब्यूटाइल समूह के स्थान पर मिथाइल समूह वाले यौगिक के लिए आधा जीवन काल 3.2 मिनट है।[12]
फेरिंगा सिद्धांत को एक प्राथमिक अवस्था नैनो कार में सम्मिलित किया गया है।[13] इस कार कार्बनिक संश्लेषण में एक ओलिगो (फेनिलीन एथीनिलीन) चेसिस और चार कार्बोरेन पहियों के साथ एक हेलीसीन-व्युत्पन्न इंजन है और अपेक्षा की जाती है कि यह स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी मॉनिटरिंग के साथ एक ठोस सतह पर चलने में उपयोगी एवं सक्षम होगा, हालांकि अभी तक ऐसा नहीं देखा गया है। प्रेरक फुलरीन पहियों के साथ प्रदर्शन नहीं करता है क्योंकि वे प्रेरक मोइटी (रसायन विज्ञान) की प्रकाश रसायन अभिक्रिया को शांत करते हैं। जब रासायनिक रूप से ठोस सतहों से जुड़ा होता है तो फेरिंगा प्रेरक को भी संचालन योग्य दिखाया गया है।[14][15] एक असममित उत्प्रेरक के रूप में कार्य करने के लिए कुछ फेरिंगा प्रणालियों की क्षमता का भी प्रदर्शन किया गया है।[16][17] 2016 में, फेरिंगा को आणविक प्रेरक पर उनके काम के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।
एकल-अणु इलेक्ट्रिक प्रेरक का प्रायोगिक प्रदर्शन
एन-ब्यूटाइल मिथाइल सल्फाइड (C5H12S) के एक अणु से बने एक एकल-अणु विद्युत संचालित प्रेरक आधुनिक समय में प्रयोग किये जा रहे हैं। रासायनिक शोषण द्वारा अणु को ताँबा (111) एकल क्रिस्टल के टुकड़े पर अवशोषित कर लिया जाता है।[18]
यह भी देखें
- आणविक मशीन
- आणविक प्रेरक
- आणविक प्रोपेलर
- नैनोप्रेरक
संदर्भ
- ↑ Palma, C.-A.; Björk, J.; Rao, F.; Kühne, D.; Klappenberger, F.; Barth, J.V. (2014). "सुपरमॉलेक्यूलर रोटर्स में टोपोलॉजिकल डायनेमिक्स". Nano Letters. 148 (8): 4461–4468. Bibcode:2014NanoL..14.4461P. doi:10.1021/nl5014162. PMID 25078022.
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