आणविक मशीन: Difference between revisions

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आणविक मशीन, नैनाइट, या नैनो मशीन[1] एक आणविक घटक है जो विशिष्ट संदीपनो (इनपुट) के उत्तर में अर्ध-यांत्रिक गतिविधि (आउटपुट) का उत्पादन करता है।[2] [3] सेलुलर जीव विज्ञान में, मैक्रोमोलेक्युलर मशीनें अक्सर जीवन के लिए आवश्यक कार्य करती हैं, जैसे डीएनए प्रतिकृति और एटीपी संश्लेषण है। अभिव्यक्ति अक्सर अणुओं पर अधिक लागू होती है जो केवल मैक्रोस्कोपिक स्तर पर होने वाले कार्यों की नकल करते हैं। यह शब्द नैनोटेक्नोलॉजी में भी आम है, जहां कई अत्यधिक जटिल आणविक मशीनों का प्रस्ताव किया गया है जिसका उद्देश्य एक आणविक कोडांतरक बनाना होता है।[4] [5]

सूक्ष्मनलिका पर चलने वाला काइन्सिन प्रोटीन गतिकी का उपयोग करते हुए एक आणविक जैविक मशीन है#वैश्विक लचीलापन: नैनोस्कोपिक स्केल पर कई डोमेन

पिछले कई दशकों से, रसायनज्ञों और भौतिकविदों ने समान रूप से सफलता की अलग-अलग डिग्री के साथ, मैक्रोस्कोपिक दुनिया में पाई जाने वाली मशीनों को छोटा करने का प्रयास किया है। सेलुलर जीव विज्ञान अनुसंधान में आणविक मशीनें सबसे आगे हैं। 2016 का रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार आणविक मशीनों के डिजाइन और संश्लेषण के लिए जीन-पियरे सॉवेज, सर जे. फ्रेजर स्टोडार्ट और बर्नार्ड एल. फेरिंगा को दिया गया था। [6] [7]

प्रकार

आणविक मशीनों को दो व्यापक श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है; कृत्रिम और जैविक। सामान्य तौर पर, कृत्रिम आणविक मशीनें (एएमएम) उन अणुओं को संदर्भित करती हैं जिन्हें कृत्रिम रूप से डिज़ाइन और संश्लेषित किया जाता है जबकि जैविक आणविक मशीनें आमतौर पर प्रकृति में पाई जा सकती हैं और पृथ्वी पर जीवोत्पत्ति के बाद अपने रूपों में विकसित हुई हैं।[8]

कृत्रिम

कृत्रिम आणविक मशीनों (एएमएम) की एक विस्तृत विविधता को रसायनज्ञों द्वारा संश्लेषित किया गया है जो जैविक आणविक मशीनों की तुलना में काफी सरल और छोटी हैं। फ्रेजर स्टोडार्ट द्वारासर जे. फ्रेजर स्टोडार्ट।[9] एक आणविक शटल एक रोटाक्सेन अणु है जहां एक अंगूठी यांत्रिक रूप से दो भारी स्टॉपर्स के साथ धुरी पर इंटरलॉक की जाती है। रिंग दो बाध्यकारी साइटों के बीच प्रकाश, पीएच, सॉल्वैंट्स और आयनों जैसे विभिन्न उत्तेजनाओं के साथ स्थानांतरित हो सकती है।[10] जैसा अमेरिकी रसायन सोसाइटी का जर्नल पेपर के इस जर्नल के लेखकों ने नोट किया है: जहां तक ​​[2]रोटैक्सेन में एक आणविक घटक के आंदोलन को दूसरे के संबंध में नियंत्रित करना संभव हो जाता है, आणविक मशीनों के निर्माण की तकनीक उभरेंगे, यांत्रिक रूप से इंटरलॉक किए गए आणविक आर्किटेक्चर ने एएमएम डिजाइन और संश्लेषण का नेतृत्व किया क्योंकि वे निर्देशित आणविक गति प्रदान करते हैं।[11] आज एएमएम (AMMs) की एक विस्तृत विविधता नीचे सूचीबद्ध के रूप में मौजूद है।

भीड़भाड़ अल्केन आणविक मोटर।

आणविक मोटर्स

सिंथेटिक आणविक मोटर ऐसे अणु होते हैं जो एकल या दोहरे बंधन के आसपास दिशात्मक रोटरी गति में सक्षम होते हैं।[12][13][14][15] सिंगल बॉन्ड रोटरी मोटर्स[16] आम तौर पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं से सक्रिय होते हैं जबकि डबल बॉन्ड रोटरी मोटर्स[17] आम तौर पर प्रकाश द्वारा ईंधन दिया जाता है। सावधान आणविक डिजाइन द्वारा मोटर की रोटेशन गति को भी ट्यून किया जा सकता है।[18] कार्बन नैनोट्यूब नैनोमोटर्स का भी उत्पादन किया गया है।[19]

आणविक प्रोपेलर

एक आणविक प्रोपेलर एक अणु है जो घुमाए जाने पर तरल पदार्थ को प्रेरित कर सकता है, इसके विशेष आकार के कारण मैक्रोस्कोपिक प्रोपेलर के अनुरूप बनाया गया है।[20][21] इसमें नैनोस्केल शाफ्ट की परिधि के चारों ओर एक निश्चित पिच कोण पर कई आणविक-पैमाने के ब्लेड लगे होते हैं। आणविक जाइरोस्कोप भी देखें।

डेज़ी श्रृंखला [2] रोटाक्सेन। इन अणुओं को कृत्रिम मांसपेशियों के निर्माण खंड के रूप में माना जाता है।

आणविक स्विच

एक आणविक स्विच एक अणु है जिसे दो या दो से अधिक स्थिर अवस्थाओं के बीच उत्क्रमणीय रूप से स्थानांतरित किया जा सकता है।[22][22] पीएच, प्रकाश (photoswitch), तापमान, विद्युत प्रवाह, सूक्ष्म पर्यावरण, या लिगैंड की उपस्थिति में परिवर्तन के जवाब में अणुओं को राज्यों के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है।[22][23][23][24]

रोटाक्सेन आधारित आणविक शटल।






आणविक शटल

एक आणविक शटल एक अणु है जो अणुओं या आयनों को एक स्थान से दूसरे स्थान पर भेजने में सक्षम है। एक आम आणविक शटल में एक रोटाक्सेन होता है जहां मैक्रोसायकल डंबेल बैकबोन के साथ दो साइटों या स्टेशनों के बीच चल सकता है।

नानो कर

नैनोकार एकल अणु वाहन हैं जो मैक्रोस्कोपिक ऑटोमोबाइल के समान हैं और यह समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं कि सतहों पर आणविक प्रसार को कैसे नियंत्रित किया जाए। पहले नैनोकार को 2005 में जेम्स एम. टूर द्वारा संश्लेषित किया गया था। उनके पास एक एच आकार का चेसिस और चार कोनों से जुड़े 4 आणविक पहिए (फुलरीन) थे।[24] 2011 में, बेन फेरिंगा और सहकर्मियों ने पहले मोटरयुक्त नैनोकार को संश्लेषित किया जिसमें घूर्णन पहियों के रूप में चेसिस से जुड़े आणविक मोटर्स थे।[25] लेखक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप टिप से ऊर्जा प्रदान करके तांबे की सतह पर नैनोकार की दिशात्मक गति प्रदर्शित करने में सक्षम थे। बाद में, 2017 में, टूलूज़ में दुनिया की पहली नैनोकार रेस हुई थी।

आणविक संतुलन

आणविक संतुलन [26] [27] एक सा अणु है जो कई इंट्रा- और इंटरमॉलिक्युलर ड्राइविंग बलों, जैसे हाइड्रोजन बॉन्डिंग, सॉल्वोफोबिक / हाइड्रोफोबिक प्रभाव,[28] π इंटरैक्शन, [29] और स्टेरिक और डिस्पर्सन इंटरैक्शन। [30] आणविक संतुलन छोटे अणु या प्रोटीन जैसे मैक्रोमोलेक्यूल्स हो सकते हैं। सहकारी रूप से मुड़े हुए प्रोटीन, उदाहरण के लिए, अंतःक्रियात्मक ऊर्जा और संचलन संबंधी प्रवृत्ति को मापने के लिए आणविक संतुलन के रूप में उपयोग किए गए हैं। [31]

आणविक ट्वीज़र्स

आणविक ट्वीज़र्स पोषिता अणु होते हैं जो अपनी दो भुजाओं के बीच वस्तुओं को धारण करने में सक्षम होते हैं।[32] आणविक ट्वीज़र्स की खुली गुहा हाइड्रोजन बंधन, धातु समन्वय, हाइड्रोफोबिक बलों, वैन डेर वाल्स बलों, π इंटरैक्शन, या इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रभाव सहित गैर-सहसंयोजक बंधन का उपयोग करके वस्तुओं को बांधती है।[33] आणविक ट्वीज़र्स के उदाहरण बताए गए हैं जो डीएनए से निर्मित होते हैं और डीएनए मशीन माने जाते हैं। [34]

आणविक संवेदक

एक आणविक संवेदक एक अणु है जो एक पता लगाने योग्य परिवर्तन उत्पन्न करने के लिए एक विश्लेषण के साथ संपर्क करता है।[35][36] आणविक संवेदक आणविक मान्यता को किसी प्रकार के रिपोर्टर के साथ जोड़ते हैं, इसलिए आइटम की उपस्थिति देखी जा सकती है।

आणविक तर्क गेट

एक आणविक लॉजिक गेट एक अणु है जो एक या अधिक लॉजिक इनपुट पर लॉजिकल ऑपरेशन करता है और एक सिंगल लॉजिक आउटपुट उत्पन्न करता है।[37][38] आणविक संवेदक के विपरीत, आणविक तर्क गेट केवल तभी आउटपुट देगा जब इनपुट का एक विशेष संयोजन मौजूद होगा।

आण्विक कोडांतरक

एक आणविक कोडांतरक एक आणविक मशीन है जो सटीक रूप से प्रतिक्रियाशील अणुओं की स्थिति के द्वारा रासायनिक प्रतिक्रियाओं को निर्देशित करने में सक्षम है।[39][40][41][42][43]

आणविक काज

एक आणविक काज एक अणु है जिसे चुनिंदा रूप से एक विन्यास से दूसरे में एक प्रतिवर्ती फैशन में स्विच किया जा सकता है।[44] इस तरह के विन्यास में अलग-अलग ज्यामिति होनी चाहिए; उदाहरण के लिए, एक रैखिक अणु में एज़ोबेंज़ीन समूह सिस-ट्रांस समावयवता | सिस-ट्रांस समावयवीकरण से गुजर सकते हैं[45] जब पराबैंगनी प्रकाश के साथ विकिरणित किया जाता है, तो एक मुड़े हुए या वी-आकार के विरूपण के लिए एक प्रतिवर्ती संक्रमण को ट्रिगर करता है।[46][47][48][49] आणविक टिका आमतौर पर एक कठोर अक्ष के चारों ओर एक क्रैंक (तंत्र) जैसी गति में घूमता है, जैसे कि एक डबल बॉन्ड या एरोमैटिक रिंग।[50] हालांकि, अधिक क्लैम्प (टूल) जैसी तंत्र के साथ मैक्रोसायकल आणविक हिंज को भी संश्लेषित किया गया है।[51][52][53]

जैविक

एक राइबोसोम ट्रांसक्रिप्शन (जीव विज्ञान) # बढ़ाव और यूकेरियोटिक अनुवाद के झिल्ली लक्ष्यीकरण चरणों का प्रदर्शन करता है। राइबोसोम हरे और पीले रंग का होता है, स्थानांतरण आरएनए गहरे नीले रंग का होता है, और इसमें शामिल अन्य प्रोटीन हल्के नीले रंग के होते हैं। उत्पादित पेप्टाइड को अन्तः प्रदव्ययी जलिका में छोड़ा जाता है।

कोशिकाओं के भीतर सबसे जटिल मैक्रोमोलेक्यूलर मशीनें पाई जाती हैं, जो अक्सर मल्टी-प्रोटीन कॉम्प्लेक्स के रूप में होती हैं। [54] जैविक मशीनों के महत्वपूर्ण उदाहरणों में मोटर प्रोटीन शामिल हैं जैसे कि मायोसिन, जो मांसपेशियों के संकुचन के लिए जिम्मेदार है, काइन्सिन, जो कोशिकाओं के अंदर कार्गो को नाभिक से सूक्ष्मनलिकाएं के साथ दूर ले जाता है, और डायनेन, जो कोशिकाओं के अंदर कार्गो को नाभिक की ओर ले जाता है और अक्षीय स्पंदन पैदा करता है मोटाइल सिलिया और फ्लैगेला । "[I]n प्रभाव, [मोटाइल सिलियम] आणविक परिसरों में शायद 600 से अधिक प्रोटीन से बना एक नैनोमैचिन है, जिनमें से कई स्वतंत्र रूप से नैनोमैचिन के रूप में कार्य करते हैं . . . लचीले लिंकर्स उनके द्वारा जुड़े मोबाइल प्रोटीन डोमेन को अपने बाध्यकारी भागीदारों की भर्ती करने और प्रोटीन डोमेन डायनेमिक्स के माध्यम से लंबी दूरी के आवंटन को प्रेरित करने की अनुमति देते हैं।" [55] अन्य जैविक मशीनें ऊर्जा उत्पादन के लिए जिम्मेदार हैं, उदाहरण के लिए एटीपी सिंथेज़ जो एक सेल की ऊर्जा मुद्रा एटीपी को संश्लेषित करने के लिए उपयोग की जाने वाली टर्बाइन जैसी गति को चलाने के लिए मेम्ब्रेन में प्रोटॉन ग्रेडिएंट्स से ऊर्जा का उपयोग करती है। [56] अभी भी अन्य मशीनें जीन अभिव्यक्ति के लिए जिम्मेदार हैं, जिनमें डीएनए की प्रतिकृति के लिए डीएनए पोलीमरेज़, एमआरएनए के उत्पादन के लिए आरएनए पोलीमरेज़, इंट्रोन्स को हटाने के लिए स्प्लिसोसम और प्रोटीन संश्लेषण के लिए राइबोसोम शामिल हैं। ये मशीनें और उनकी नैनोस्केल गतिकी किसी भी आणविक मशीनों की तुलना में कहीं अधिक जटिल हैं जिनका अभी तक कृत्रिम रूप से निर्माण किया गया है। [57]

कुछ जैविक आणविक मशीनें

जैविक मशीनों के नैनोमेडिसिन में अनुप्रयोग हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, [58] उनका उपयोग कैंसर कोशिकाओं की पहचान करने और उन्हें नष्ट करने के लिए किया जा सकता है।[59] [60] मॉलिक्यूलर नैनोटेक्नोलॉजी नैनो टेक्नोलॉजी का एक उपक्षेत्र है, जो इंजीनियरिंग आणविक असेंबलरों, जैविक मशीनों की संभावना के बारे में है जो आणविक या परमाणु पैमाने पर पदार्थ को फिर से व्यवस्थित कर सकते हैं। नैनोमेडिसिन क्षति और संक्रमण की मरम्मत या पता लगाने के लिए शरीर में पेश किए गए इन नैनोरोबोट्स का उपयोग करेगा। आणविक नैनोप्रौद्योगिकी अत्यधिक सैद्धांतिक है, यह अनुमान लगाने की कोशिश कर रही है कि नैनोप्रौद्योगिकी क्या आविष्कार कर सकती है और भविष्य की जांच के लिए एक एजेंडा प्रस्तावित कर सकती है। आण्विक नैनोटेक्नोलॉजी के प्रस्तावित तत्व, जैसे आण्विक असेंबलर और नैनोरोबोट्स वर्तमान क्षमताओं से कहीं अधिक हैं।[61] [62]

अनुसंधान

अधिक जटिल आणविक मशीनों का निर्माण सैद्धांतिक और प्रायोगिक अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है। आणविक प्रोपेलर जैसे कई अणुओं को डिजाइन किया गया है, हालांकि इन अणुओं के प्रयोगात्मक अध्ययन इन अणुओं के निर्माण के तरीकों की कमी से बाधित हैं।[63] इस संदर्भ में, प्रकाश-संचालित आणविक मशीनों के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण रोटाक्सेन की स्व-असेंबली/डिसअसेंबली प्रक्रियाओं को समझने के लिए सैद्धांतिक मॉडलिंग अत्यंत उपयोगी [64] हो सकती है।[65] यह आणविक-स्तर का ज्ञान नैनो तकनीक के क्षेत्रों के लिए कभी भी अधिक जटिल, बहुमुखी और प्रभावी आणविक मशीनों की प्राप्ति को बढ़ावा दे सकता है, जिसमें आणविक असेंबलर भी शामिल हैं।

हालांकि वर्तमान में व्यवहार्य नहीं है, आणविक मशीनों के कुछ संभावित अनुप्रयोग आणविक स्तर पर परिवहन, नैनोस्ट्रक्चर और रासायनिक प्रणालियों में हेरफेर, उच्च घनत्व ठोस-राज्य सूचनात्मक प्रसंस्करण और आणविक प्रोस्थेटिक्स हैं।[66] आणविक मशीनों को व्यावहारिक रूप से उपयोग करने से पहले कई मूलभूत चुनौतियों को दूर करने की आवश्यकता होती है, जैसे कि स्वायत्त संचालन, मशीनों की जटिलता, मशीनों के संश्लेषण में स्थिरता और काम करने की स्थिति है।

यह भी देखें

संदर्भ

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  2. ↑ Ballardini R, Balzani V, Credi A, Gandolfi MT, Venturi M (2001). "कृत्रिम आणविक-स्तर की मशीनें: उन्हें कौन सी ऊर्जा काम करने के लिए तैयार करती है?". Acc. Chem. Res. 34 (6): 445–455. doi:10.1021/ar000170g. PMID 11412081.
  3. ↑ Aprahamian I (March 2020). "आणविक मशीनों का भविष्य". ACS Central Science. 6 (3): 347–358. doi:10.1021/acscentsci.0c00064. PMC 7099591. PMID 32232135.
  4. ↑ Johnson, Dexter (June 11, 2007). "क्रांतिकारी नैनो तकनीक: गीली या सूखी?". IEEE Spectrum.
  5. ↑ Drexler, K. E. (July 1991). "नैनोटेक्नोलॉजी में आणविक दिशाएँ". Nanotechnology (in English). 2 (3): 113–118. Bibcode:1991Nanot...2..113D. doi:10.1088/0957-4484/2/3/002. ISSN 0957-4484.
  6. ↑ Staff (5 October 2016). "The Nobel Prize in Chemistry 2016". Nobel Foundation. Retrieved 5 October 2016.
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  9. ↑ Erbas-Cakmak, Sundus; Leigh, David A.; McTernan, Charlie T.; Nussbaumer, Alina L. (2015). "Artificial Molecular Machines". Chemical Reviews. 115 (18): 10081–10206. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00146. PMC 4585175. PMID 26346838.
  10. ↑ Bruns, Carson J.; Stoddart, J. Fraser (30 May 2014). "Rotaxane-Based Molecular Muscles". Accounts of Chemical Research. 47 (7): 2186–2199. doi:10.1021/ar500138u. PMID 24877992.
  11. ↑ Kay, Euan R.; Leigh, David A. (24 August 2015). "Rise of the Molecular Machines". Angewandte Chemie International Edition. 54 (35): 10080–10088. doi:10.1002/anie.201503375. PMC 4557038. PMID 26219251.
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