नैनोमोटर

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नैनोमोटर एक आणविक या नैनो पैमाना उपकरण है जो ऊर्जा को गति में परिवर्तित करने में सक्षम है। यह सामान्यतः पिकोन्यूटन (इकाई) के क्रम पर बल उत्पन्न कर सकता है।[1][2][3][4]

चुंबकीय रूप से नियंत्रित हेलिकल नैनोमोटर एक हेला सेल के अंदर चल रहा है जो एक पैटर्न 'N' बना रहा है।[5]

जबकि सदियों से कलाकारों द्वारा नैनोकणों का उपयोग किया जाता रहा है, जैसे कि प्रसिद्ध लाइकर्गस कप में, अतिसूक्ष्मप्रौद्योगिकी में वैज्ञानिक अनुसंधान हाल तक नहीं आया था। 1959 में, कैलटेक में आयोजित अमरीकी वास्तविक संस्था के सम्मेलन में रिचर्ड फेनमैन ने एक प्रसिद्ध व्याख्यान दिया, जिसका शीर्षक था "नीचे बहुत जगह है"। उन्होंने एक वैज्ञानिक शर्त लगाई कि कोई भी व्यक्ति किसी भी तरफ 400 माइक्रोमीटर से छोटी मोटर की अभिकल्पना नहीं कर सकता।[6] दांव का उद्देश्य (जैसा कि अधिकांश वैज्ञानिक दांव के साथ होता है) वैज्ञानिकों को नई तकनीकों को विकसित करने के लिए प्रेरित करना था, और जो कोई भी नैनोमोटर विकसित कर सकता, वह $1,000 USD पुरस्कार का दावा कर सकता था।[6]हालांकि, उनके उद्देश्य को विलियम मैकलीनन (अतिसूक्ष्मप्रौद्योगिकी) द्वारा विफल कर दिया गया, जिन्होंने नए तरीके विकसित किए बिना नैनोमोटर का निर्माण किया। बहरहाल, रिचर्ड फेनमैन के भाषण ने वैज्ञानिकों की एक नई पीढ़ी को अतिसूक्ष्मप्रौद्योगिकी में अनुसंधान करने के लिए प्रेरित किया।

काइनेसिन प्रोटीन गतिकी का उपयोग करता है सूक्ष्मनलिका के साथ चलने के लिए नैनोस्कोपिक पैमाने पर कई कार्यक्षेत्र।

रेनॉल्ड्स संख्या पर मौजूद माइक्रोफ्लुइडिक गतिकी को दूर करने की उनकी क्षमता के लिए अनुसंधान के केंद्र हैं। स्कैलप प्रमेय बताता है कि कम रेनॉल्ड की संख्या पर गति उत्पन्न करने के लिए नैनोमोटर्स को समरूपता को तोड़ना चाहिए। इसके अलावा, ब्राउनियन गति पर विचार किया जाना चाहिए क्योंकि कण-विलायक पारस्परिक प्रभाव एक तरल के माध्यम से नैनोमोटर की क्षमता को नाटकीय रूप से प्रभावित कर सकता है। नए नैनोमोटर्स को रूपित करते समय यह एक महत्वपूर्ण समस्या पैदा कर सकता है। वर्तमान नैनोमोटर अनुसंधान इन समस्याओं को दूर करने का प्रयास करता है, और ऐसा करके, वर्तमान माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में सुधार कर सकता है या नई तकनीकों को जन्म दे सकता है।[citation needed]

कम रेनॉल्ड्स संख्या में माइक्रोफ्लुइडिक गतिशीलता को दूर करने के लिए महत्वपूर्ण शोध किया गया है। अब, शरीर के भीतर चिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए नैनोमोटर्स का उपयोग करने से पहले जैव-अनुकूलता, दिशात्मकता पर नियंत्रण और ईंधन की उपलब्धता जैसे मुद्दों को दूर करने के लिए अधिक दबाव वाली चुनौती है।[7]


नैनोट्यूब और नैनोवायर मोटर्स

Main article: कार्बन नैनोट्यूब नैनोमोटर

2004 में, आयुष्मान सेन और थॉमस ई. मलौक ने पहला कृत्रिम और स्वायत्त नैनोमोटर बनाया।[8] दो-माइक्रोन लंबे नैनोमोटर्स दो खंड, प्लैटिनम और सोने से बने थे, जो गति उत्पन्न करने के लिए पानी में पतला उदजन पेरोक्साइड के साथ उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कर सकते थे।[8] Au-Pt नैनोमोटर्स में स्वायत्त, गैर-ब्राउनियन गति होती है जो रासायनिक प्रवणताओं के उत्प्रेरक उत्पादन के माध्यम से प्रणोदन से उत्पन्न होती है।[8][9] जैसा निहित है, उनकी गति को निर्देशित करने के लिए बाहरी चुंबकीय, विद्युत या प्रकाशिकी क्षेत्र की उपस्थिति की आवश्यकता नहीं होती है।[10] अपने स्वयं के स्थानीय क्षेत्र बनाकर, इन मोटरों को स्व-वैद्युतकणसंचलन के माध्यम से स्थानांतरित करने के लिए कहा जाता है। जोसेफ वांग ने 2008 में प्लेटिनम अनुभाग में कार्बन नैनोट्यूब को सम्मिलित करके Au-Pt उत्प्रेरक नैनोमोटर्स की गति को नाटकीय रूप से बढ़ाने में सक्षम था।[11]

2004 से, विभिन्न आकार के नैनो और सूक्ष्म मोटर्स के अलावा, विभिन्न प्रकार के नैनोट्यूब और नैनोवायर आधारित मोटर विकसित किए गए हैं।[12][13][14][15] इनमें से अधिकांश मोटर उदजन पेरोक्साइड का उपयोग ईंधन के रूप में करते हैं, लेकिन कुछ उल्लेखनीय अपवाद मौजूद हैं।[16][17]

धात्विक माइक्रोरोड्स (4.3 माइक्रोन लंबे x 300 NM व्यास) को गुंजयमान पराध्वनिक चित्रण द्वारा, रासायनिक ईंधन के बिना, तरल पदार्थ या जीवित कोशिकाओं के अंदर स्वायत्त रूप से चलाया जा सकता है। इन छड़ों में एक केंद्रीय Ni पट्टी होती है जिसे बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा संचालित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप समकालिक तैराकी होती है।[18]

ये चाँदी हैलाइड और चाँदी-प्लैटिनम नैनोमोटर्स हैलाइड ईंधन द्वारा संचालित होते हैं, जिन्हें परिवेशी प्रकाश के संपर्क में आने से पुनर्जीवित किया जा सकता है।[17]कुछ नैनोमोटर्स अलग-अलग प्रतिक्रियाओं के साथ कई उत्तेजनाओं से भी प्रेरित हो सकते हैं।[19] ये बहु-कार्यात्मक नैनोवायर लागू उत्तेजना (जैसे रासायनिक ईंधन या अल्ट्रासोनिक शक्ति) के आधार पर अलग-अलग दिशाओं में चलते हैं।[19]उदाहरण के लिए, द्विधात्विक नैनोमोटर्स को रासायनिक और ध्वनिक उत्तेजनाओं के संयोजन द्वारा द्रव प्रवाह के साथ या उसके विरुद्ध चलने के लिए धारानुचलन अनुभव करना दिखाया गया है।[20] ड्रेसडेन जर्मनी में, बेल्लित माइक्रोट्यूब नैनोमोटर्स ने उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में बुलबुले का उपयोग करके गति उत्पन्न की।[21] स्थिर वैद्युत भंडारण पारस्परिक प्रभाव पर निर्भरता के बिना, बुलबुला-प्रेरित प्रणोदन प्रासंगिक जैविक तरल पदार्थों में मोटर गतिविधि को सक्षम बनाता है, लेकिन सामान्यतः अभी भी उदजन पेरोक्साइड जैसे जहरीले ईंधन की आवश्यकता होती है।[21] इन विट्रो अनुप्रयोगों में नैनोमोटर्स सीमित हैं। हालाँकि, पहली बार जोसेफ वांग और एल इयान जी फांग झांग द्वारा ईंधन के रूप में गैस्ट्रिक एसिड का उपयोग करके माइक्रोट्यूब मोटर्स के विवो अनुप्रयोग में एक का वर्णन किया गया है।[22] हाल ही में टाइटेनियम डाइऑक्साइड को उनके संक्षारण प्रतिरोध गुणों और जैव-अनुकूलता के कारण नैनोमोटर्स के संभावित उम्मीदवार के रूप में पहचाना गया है।[23] उत्प्रेरक नैनोमोटर्स में भविष्य के शोध में महत्वपूर्ण कार्गो-टोइंग अनुप्रयोगों के लिए प्रमुख वादा है, जिसमें कोशिका पृथक्करण माइक्रोचिप उपकरण से लेकर निर्देशित दवा वितरण तक सम्मिलित है।

राइबोसोम एक जैविक मशीन है जो नैनोस्कोपिक स्केल पर प्रोटीन गतिशीलता का उपयोग करती है

पाचकरस नैनोमोटर्स

हाल ही में, पाचकरस नैनोमोटर्स और माइक्रोपंप विकसित करने में अधिक शोध हुआ है। कम रेनॉल्ड्स संख्या पर, एकल अणु किण्वक स्वायत्त नैनोमोटर्स के रूप में कार्य कर सकते हैं।[24] आयुष्मान सेन और समुद्र सेनगुप्ता ने प्रदर्शित किया कि कैसे स्व-संचालित माइक्रोपंप कण अभिगमन को बढ़ा सकते हैं। यह अवधारणा प्रमाण तंत्र दर्शाता है कि नैनोमोटर्स और माइक्रोपंप में यन्त्र (इंजन) के रूप में किण्वकों का सफलतापूर्वक उपयोग किया जा सकता है।[25] इसके बाद से यह दिखाया गया है कि जब उनके क्रियाधार के समाधान में सक्रिय किण्वक अणुओं के साथ लेपित किया जाता है तो कण स्वयं तेजी से फैलेंगे।[26][27] इसके अलावा, माइक्रोफ्लूडिक प्रयोगों के माध्यम से यह देखा गया है कि किण्वक अणु अपने क्रियाधार ढाल के ऊपर दिशात्मक तैराकी से गुजरेंगे।[28] केवल गतिविधि के आधार पर किण्वकों को अलग करने का यह एकमात्र तरीका है। इसके अतिरिक्त, सोपान में किण्वकों ने क्रियाधार संचालित रसायन अनुचलन के आधार पर एकत्रीकरण भी दिखाया है।[29] किण्वक-संचालित नैनोमोटर्स का विकास नई जैव संगत प्रौद्योगिकियों और चिकित्सा अनुप्रयोगों को प्रेरित करने का वचन देता है।[30] हालाँकि, इन अनुप्रयोगों को साकार करने के लिए कई सीमाओं, जैसे कि जैव और कोशिका पैठ को दूर करना होगा।[31] खेप की दिशात्मक डिलीवरी के लिए किण्वकों का उपयोग करना नई जैव संगत तकनीकों में से एक होगी।[32][33]

अनुसंधान की एक प्रस्तावित शाखा जीवित कोशिकाओं में पाए जाने वाले आणविक प्रेरक प्रोटीन का कृत्रिम उपकरणों में प्रत्यारोपित आणविक मोटर्स में एकीकरण है। इस तरह की एक प्रेरक प्रोटीन गतिशीलता के माध्यम से उस उपकरण के भीतर एक खेप को स्थानांतरित करने में सक्षम होगी, इसी तरह जैसे किन्सिन कोशिकाओं के अंदर सूक्ष्मनलिकाओं के मार्ग के साथ विभिन्न अणुओं को स्थानांतरित करता है। ऐसे मोटर प्रोटीन के संचलन को शुरू करने और रोकने से UV प्रकाश के प्रति संवेदनशील आणविक संरचनाओं में ATP को बंद करना सम्मिलित होगा। UV रोशनी की स्पंदक इस प्रकार गति की स्पंदक प्रदान करेंगी। विभिन्न बाहरी प्रगर्तक के जवाब में DNA के दो आणविक अनुरूपताओं के बीच परिवर्तन के आधार पर DNA नैनोमैचिन्स का भी वर्णन किया गया है।

कुंडलित नैनोमोटर्स

अनुसंधान की एक और रोचक दिशा ने चुंबकीय सामग्री के साथ लेपित कुंडलित सिलिका कणों का निर्माण किया है जिसे एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके कुशल बनाया जा सकता है।[34]

एक कुंडलित नैनोमोटर की रेखाचित्रण अतिसूक्ष्म परमाणु सूक्ष्मदर्शी छवि

ऐसे नैनोमोटर्स प्रणोदन को ईंधन देने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर निर्भर नहीं हैं। एक त्रिकोणीय हेल्महोल्त्स कुंडली अंतरिक्ष में निर्देशित घूर्णन क्षेत्र प्रदान कर सकता है। हाल के कार्यों ने दिखाया है कि कुछ माइक्रोन के विश्लेषण पर गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थों की संलग्नशीलता को मापने के लिए ऐसे नैनोमोटर्स का उपयोग कैसे किया जा सकता है।[35] यह तकनीक कोशिकाओं के अंदर संलग्नशीलता मानचित्र और बाह्य कोशिकीय वातावरण के निर्माण का वचन देती है। ऐसे नैनोमोटर्स को रक्त में गतिविधि करने के लिए प्रदर्शित किया गया है।[36] हाल ही में, शोधकर्ताओं ने ऐसे नैनोमोटर्स को कैंसर कोशिकाओं के अंदर नियंत्रित रूप से स्थानांतरित करने में कामयाबी प्राप्त की है, जिससे वे कोशिका के अंदर के पतिरूप का पता लगा सकते हैं।[5] अर्बुद सूक्ष्मपर्यावरण के माध्यम से चलने वाले नैनोमोटर्स ने कैंसर-स्रावित बाह्य आव्यूह में सियालिक अम्ल की उपस्थिति का प्रदर्शन किया है।[37]


वर्तमान संचालित नैनोमोटर्स (शास्त्रीय)

2003 में फेनिमोर एट अल ने एक प्रोटोटाइपिकल करंट-संचालित नैनोमोटर की प्रायोगिक अनुभूति प्रस्तुत करी।[38] यह बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब पर लगे छोटे सोने के पत्तों पर आधारित था, जिसमें कार्बन परतें स्वयं गति करती थीं। नैनोमोटर सोने की पत्तियों के स्थिर वैद्युत विक्षेप पारस्परिक प्रभाव द्वारा संचालित होता है जिसमें तीन विद्युत-द्वार होते हैं जहां वैकल्पिक धाराएं लागू होती हैं। कुछ वर्षों बाद, कई अन्य समूहों ने प्रत्यक्ष धाराओं द्वारा संचालित विभिन्न नैनोमोटर्स के प्रायोगिक अनुभूतियों को दिखाया।[39][40] प्रारूपों में सामान्यतः एक धातु की सतह पर रेखाचित्रण-सुरंगन-सूक्ष्मदर्शी (STM) के शीर्ष पर सोखने वाले कार्बनिक अणु सम्मिलित होते हैं। STM की नोक से बहने वाली धारा का उपयोग अणु के या उसके एक हिस्से के दिशात्मक घुमाव को चलाने के लिए किया जाता है[40]।[39]ऐसे नैनोमोटर्स का संचालन शास्त्रीय भौतिकी पर निर्भर करता है और ब्राउनियन मोटर्स की अवधारणा से संबंधित है।[41] नैनोमोटर्स के इन उदाहरणों को आण्विक मोटर्स के रूप में भी जाना जाता है।

वर्तमान संचालित नैनोमोटर्स में परिमाण प्रभाव

उनके छोटे आकार के कारण, परिमाण यांत्रिकी कुछ नैनोमोटर्स में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। उदाहरण के लिए, 2020 में स्टोल्ज़ एट अल ने STM के करंट द्वारा संचालित एक घूर्णन अणु से बने नैनोमोटर में शास्त्रीय गति से परिमाण सुरंगन तक क्रॉस-ओवर दिखाया।[42] कई लेखकों द्वारा शीत-परमाणु-आधारित AC-चालित परिमाण मोटर्स की खोज की गई है।[43][44] अंत में, प्रत्यावर्ती परिमाण पम्पिंग को नैनोमोटर्स के प्रतिरूप की दिशा में एक सामान्य रणनीति के रूप में प्रस्तावित किया गया है।[45] इस मामले में, नैनोमोटर्स को रुदधोष्म परिमाण मोटर्स के रूप में डबकृत किया गया है और यह दिखाया गया है कि इलेक्ट्रॉनों की परिमाण प्रकृति का उपयोग उपकरणों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए किया जा सकता है।

यह भी देखें

संदर्भ

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