Synthetic molecular motor
સિન્થેટિક મોલેક્યુલર મોટર્સ એ મોલેક્યુલર મશીનો છે જે ઊર્જા ઇનપુટ હેઠળ સતત દિશાત્મક પરિભ્રમણ માટે સક્ષમ છે. જો કે "મોલેક્યુલર મોટર" શબ્દ પરંપરાગત રીતે કુદરતી રીતે બનતા પ્રોટીનનો ઉલ્લેખ કરે છે જે ગતિને પ્રેરિત કરે છે (પ્રોટીન ગતિશીલતા દ્વારા), કેટલાક જૂથો બિન-જૈવિક, બિન-પેપ્ટાઇડ કૃત્રિમ મોટર્સનો ઉલ્લેખ કરતી વખતે પણ આ શબ્દનો ઉપયોગ કરે છે. ઘણા રસાયણશાસ્ત્રીઓ આવા મોલેક્યુલર મોટર્સના સંશ્લેષણનો અભ્યાસ કરી રહ્યા છે. કૃત્રિમ મોટર માટેની મૂળભૂત જરૂરિયાતો પુનરાવર્તિત 360° ગતિ, ઊર્જાનો વપરાશ અને એકદિશાત્મક પરિભ્રમણ છે. આ દિશામાં પ્રથમ બે પ્રયાસો, બોસ્ટન કોલેજના ડૉ. ટી. રોસ કેલી દ્વારા સહકાર્યકરો સાથે રાસાયણિક રીતે સંચાલિત મોટર અને બેન ફિરિંગા અને સહકાર્યકરો દ્વારા પ્રકાશ સંચાલિત મોટર, 1999 માં નેચરના સમાન અંકમાં પ્રકાશિત થયા હતા. 2020 સુધીમાં, અણુની દ્રષ્ટિએ સૌથી નાના ચોક્કસ મોલેક્યુલર મશીનમાં એક રોટર હોય છે જેમાં ચાર અણુ હોય છે. રાસાયણિક રીતે સંચાલિત રોટરી મોલેક્યુલર મોટર્સ 1999 માં કેલી અને સહકાર્યકરો દ્વારા કૃત્રિમ રાસાયણિક રીતે સંચાલિત રોટરી મોલેક્યુલર મોટર માટેના પ્રોટોટાઇપના ઉદાહરણની જાણ કરવામાં આવી હતી. તેમની પ્રણાલી ત્રણ-બ્લેડેડ ટ્રિપ્ટીસિન રોટર અને હેલિસિનથી બનેલી છે, અને એક દિશામાં 120° પરિભ્રમણ કરવા માટે સક્ષમ છે. આ પરિભ્રમણ પાંચ તબક્કામાં થાય છે. ત્રિપ્ટીસીન ભાગ પર હાજર એમાઇન જૂથ ફોસ્જીન (એ) સાથે ઘનીકરણ દ્વારા આઇસોસાયનેટ જૂથમાં રૂપાંતરિત થાય છે. કેન્દ્રીય બંધની આસપાસ થર્મલ અથવા સ્વયંસ્ફુરિત પરિભ્રમણ પછી આઇસોસાયનેટ જૂથને હેલિસિન ભાગ (બી) પર સ્થિત હાઇડ્રોક્સિલ જૂથની નિકટતામાં લાવે છે, જેનાથી આ બંને જૂથો એકબીજા સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે (સી). આ પ્રતિક્રિયા સિસ્ટમને વણસેલા ચક્રીય યુરેથેન તરીકે અટકાવે છે જે ઊર્જામાં વધારે હોય છે અને આમ ઊર્જાત્મક રીતે મૂળ સ્થિતિ કરતાં પરિભ્રમણ ઊર્જા અવરોધની નજીક હોય છે. તેથી ત્રિપ્ટીસીન ભાગનું વધુ પરિભ્રમણ કરવા માટે આ અવરોધને દૂર કરવા માટે પ્રમાણમાં ઓછી માત્રામાં થર્મલ સક્રિયકરણની જરૂર પડે છે, જેનાથી તાણ (ડી) મુક્ત થાય છે. છેવટે, યુરેથેન જૂથનું વિભાજન અણુ (ઇ) ની એમાઇન અને આલ્કોહોલની કાર્યક્ષમતાને પુનઃસ્થાપિત કરે છે. ઘટનાઓના આ ક્રમનું પરિણામ હેલીસીન ભાગની દ્રષ્ટિએ ત્રિપ્ટીસીન ભાગનું એક દિશાનું 120° પરિભ્રમણ છે. ટ્રિપ્ટીસિન રોટરના વધારાના આગળ અથવા પાછળના પરિભ્રમણને હેલિસિન ભાગ દ્વારા અટકાવવામાં આવે છે, જે રેચેટના પાઉલ જેવું જ કાર્ય કરે છે. પ્રણાલીની એક દિશા એ હેલિસિન ભાગની અસમપ્રમાણ તિરાડ તેમજ c માં રચાતા ચક્રીય યુરેથેનની તાણ બંનેનું પરિણામ છે. આ તાણને ફક્ત d માં ટ્રિપ્ટીસિન રોટરના ઘડિયાળની દિશામાં પરિભ્રમણ દ્વારા ઘટાડી શકાય છે, કારણ કે ઘડિયાળની વિરુદ્ધ દિશામાં પરિભ્રમણ તેમજ d ની વ્યસ્ત પ્રક્રિયા બંને ઊર્જાની રીતે પ્રતિકૂળ છે. આ સંદર્ભમાં પરિભ્રમણની દિશા માટેની પસંદગી કાર્યાત્મક જૂથોની સ્થિતિ અને હેલિસિનના આકાર બંને દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે અને આમ તે બાહ્ય પરિબળો દ્વારા નિર્ધારિત કરવાને બદલે અણુની રચનામાં બાંધવામાં આવે છે. કેલી અને સહકાર્યકરો દ્વારા મોટર એ નિયંત્રિત, એક દિશાની પરિભ્રમણ ગતિને પ્રેરિત કરવા માટે કેવી રીતે રાસાયણિક ઊર્જાનો ઉપયોગ કરી શકાય છે તેનું એક ભવ્ય ઉદાહરણ છે, એક પ્રક્રિયા જે અસંખ્ય પ્રક્રિયાઓને બળ આપવા માટે સજીવોમાં એટીપીના વપરાશ જેવી લાગે છે. જો કે, તે એક ગંભીર ખામીથી પીડાય છેઃ 120° પરિભ્રમણ તરફ દોરી જતી ઘટનાઓનો ક્રમ પુનરાવર્તિત કરી શકાતો નથી. કેલી અને સહકાર્યકરોએ સિસ્ટમને વિસ્તૃત કરવાની રીતો શોધી છે જેથી આ ક્રમ વારંવાર હાથ ધરી શકાય. કમનસીબે, આ ઉદ્દેશને પૂર્ણ કરવાના તેમના પ્રયાસો સફળ થયા નથી અને હાલમાં આ પ્રોજેક્ટને છોડી દેવામાં આવ્યો છે. 2016 માં ડેવિડ લેઇના જૂથે પ્રથમ સ્વાયત્ત રાસાયણિક બળતણવાળી કૃત્રિમ મોલેક્યુલર મોટરની શોધ કરી હતી. કૃત્રિમ રાસાયણિક રીતે સંચાલિત રોટરી મોલેક્યુલર મોટર્સના કેટલાક અન્ય ઉદાહરણો કે જે બધા રીએજન્ટ્સના ક્રમિક ઉમેરા દ્વારા કાર્ય કરે છે તે નોંધવામાં આવ્યા છે, જેમાં કિરાલ રીએજન્ટ્સના ઉપયોગ દ્વારા રેસેમિક બાયરીલ લેક્ટોનના સ્ટીરિયોસેલેક્ટિવ રિંગ ઓપનિંગનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે પરિણામે અન્ય એરિલના સંદર્ભમાં એક એરિલનું નિર્દેશિત 90° પરિભ્રમણ થાય છે. બ્રાંચાઉડ અને સહકાર્યકરોએ અહેવાલ આપ્યો છે કે આ અભિગમ, વધારાના રીંગ ક્લોઝિંગ સ્ટેપ દ્વારા અનુસરવામાં આવે છે, જેનો ઉપયોગ પુનરાવર્તિત ન થઈ શકે તેવા 180° પરિભ્રમણને પૂર્ણ કરવા માટે થઈ શકે છે. ફિરિંગા અને સહકાર્યકરોએ તેમની અણુની રચનામાં આ અભિગમનો ઉપયોગ કર્યો હતો જે પુનરાવર્તિત રીતે 360° પરિભ્રમણ કરી શકે છે. આ મોલેક્યુલર મોટરનું સંપૂર્ણ પરિભ્રમણ ચાર તબક્કામાં થાય છે. તબક્કામાં એ અને સીમાં એરિલ ભાગનું પરિભ્રમણ પ્રતિબંધિત છે, જો કે હેલિક્સ વ્યુત્ક્રમ શક્ય છે. બી અને ડી તબક્કામાં એરિલ નેફ્થેલિનના સંદર્ભમાં સ્ટેરિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ સાથે ફેરવી શકે છે જે એરિલને નેફ્થેલિન પસાર કરતા અટકાવે છે. ચક્રાકાર ચક્રમાં ચાર રાસાયણિક પ્રેરિત પગલાં હોય છે જે એક તબક્કાને બીજામાં રૂપાંતરિત કરે છે. પગલાં 1 અને 3 અસમપ્રમાણ રિંગ ઓપનિંગ પ્રતિક્રિયાઓ છે જે એરિલના પરિભ્રમણની દિશાને નિયંત્રિત કરવા માટે કાયરલ રીએજન્ટનો ઉપયોગ કરે છે. પગલાં 2 અને 4 માં ફિનોલનું અવમૂલ્યન થાય છે, ત્યારબાદ રેજીયોસેલેક્ટિવ રિંગની રચના થાય છે. પ્રકાશ સંચાલિત રોટરી મોલેક્યુલર મોટર્સ 1999 માં નેધરલેન્ડ્સના ગ્રોનિંગન યુનિવર્સિટી ખાતે પ્રોફેસર ડૉ. બેન એલ. ફિરિંગાની પ્રયોગશાળાએ એક દિશાના મોલેક્યુલર રોટરની રચનાની જાણ કરી હતી. તેમની 360° મોલેક્યુલર મોટર સિસ્ટમમાં અક્ષીય કિરાલિટી દર્શાવતા અને બે સ્ટીરિયોસેન્ટર્સ ધરાવતા એલ્કીન ડબલ બોન્ડ દ્વારા જોડાયેલા બિસ-હેલિસિનનો સમાવેશ થાય છે. એક દિશાના પરિભ્રમણનું એક ચક્ર પ્રતિક્રિયાના 4 પગલાં લે છે. પ્રથમ પગલું એ ટ્રાન્સ (પી, પી) આઇસોમર 1 નું સિસ (એમ, એમ) 2 નું નીચા તાપમાનનું એન્ડોથર્મિક ફોટોઆઇસોમેરાઇઝેશન છે જ્યાં પી જમણા હાથના હેલિક્સ માટે અને એમ ડાબા હાથના હેલિક્સ માટે વપરાય છે. આ પ્રક્રિયામાં, બે અક્ષીય મિથાઈલ જૂથોને બે ઓછા સ્થિર રીતે અનુકૂળ વિષુવવૃત્તીય મિથાઈલ જૂથોમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે. તાપમાનને 20 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી વધારીને આ મિથાઈલ જૂથો હેલિક્સ વ્યુત્ક્રમમાં બાહ્યઉષ્મીય રીતે (પી, પી) સિસ અક્ષીય જૂથો (3) માં રૂપાંતરિત થાય છે. અક્ષીય આઇસોમર વિષુવવૃત્તીય આઇસોમર કરતાં વધુ સ્થિર હોવાથી, વિપરીત પરિભ્રમણ અવરોધિત થાય છે. બીજું ફોટોઆઇસોમેરાઇઝેશન (પી, પી) સિસ 3 ને (એમ, એમ) ટ્રાન્સ 4 માં રૂપાંતરિત કરે છે, ફરીથી સ્થિર રીતે પ્રતિકૂળ વિષુવવૃત્તીય મિથાઈલ જૂથોની રચના સાથે. 60 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર થર્મલ આઇસોમેરાઇઝેશન પ્રક્રિયા 360 ડિગ્રી ચક્રને અક્ષીય સ્થિતિ પર પાછા બંધ કરે છે. આ પ્રણાલીઓમાં સંપૂર્ણ પરિભ્રમણ માટે લાંબો પ્રતિક્રિયા સમય એ દૂર કરવા માટેનો એક મોટો અવરોધ છે, જે જૈવિક પ્રણાલીઓમાં મોટર પ્રોટીન દ્વારા પ્રદર્શિત પરિભ્રમણ ઝડપ સાથે સરખાવાતો નથી. અત્યાર સુધીની સૌથી ઝડપી પ્રણાલીમાં, ફ્લોરિનના નીચલા અડધા સાથે, થર્મલ હેલિક્સ વ્યુત્ક્રમની અર્ધ-જીવન 0.005 સેકન્ડ છે. આ સંયોજનનું સંશ્લેષણ બાર્ટન-કેલોગ પ્રતિક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. આ અણુમાં તેના પરિભ્રમણનું સૌથી ધીમું પગલું, ઉષ્મીય પ્રેરિત હેલિક્સ-વ્યુત્ક્રમ, વધુ ઝડપથી આગળ વધે છે તેવું માનવામાં આવે છે કારણ કે મોટા ટર્ટ-બ્યુટાઇલ જૂથ અસ્થિર આઇસોમરને મિથાઈલ જૂથનો ઉપયોગ કરતા પણ ઓછું સ્થિર બનાવે છે. આનું કારણ એ છે કે અસ્થિર આઇસોમર સંક્રમણ સ્થિતિ કરતાં વધુ અસ્થિર હોય છે જે હેલિક્સ-વ્યુત્ક્રમ તરફ દોરી જાય છે. બે અણુઓની જુદી જુદી વર્તણૂક એ હકીકત દ્વારા સચિત્ર છે કે ટર્ટ-બ્યુટાઇલ જૂથને બદલે મિથાઈલ જૂથ સાથેના સંયોજન માટે અર્ધ-જીવન સમય 3.2 મિનિટ છે. ફેરીંગા સિદ્ધાંતને પ્રોટોટાઇપ નેનોકારમાં સામેલ કરવામાં આવ્યો છે. સંશ્લેષિત કારમાં ઓલિગો (ફેનીલીન એથિનીલીન) ચેસિસ અને ચાર કાર્બોરેન વ્હીલ્સ સાથે હેલિસિન-વ્યુત્પન્ન એન્જિન છે અને તે સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપી મોનિટરિંગ સાથે નક્કર સપાટી પર આગળ વધવામાં સક્ષમ હોવાની અપેક્ષા છે, જોકે અત્યાર સુધી આ અવલોકન કરવામાં આવ્યું નથી. મોટર ફુલરીન વ્હીલ્સ સાથે કામ કરતું નથી કારણ કે તે મોટરના ભાગની ફોટોકેમિસ્ટ્રીને શાંત કરે છે. જ્યારે રાસાયણિક રીતે નક્કર સપાટીઓ સાથે જોડાયેલ હોય ત્યારે ફિરિંગા મોટર્સ પણ કાર્યરત રહે છે તેવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. અમુક ફિરિંગા પ્રણાલીઓની અસમપ્રમાણ ઉત્પ્રેરક તરીકે કામ કરવાની ક્ષમતા પણ દર્શાવવામાં આવી છે. 2016 માં, ફિરિંગાને મોલેક્યુલર મોટર્સ પરના તેમના કામ માટે નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો. સિંગલ-મોલેક્યુલ ઇલેક્ટ્રિક મોટરનું પ્રાયોગિક પ્રદર્શન એન-બ્યુટાઇલ મિથાઈલ સલ્ફાઇડ (C5H12S) ના સિંગલ મોલેક્યુલમાંથી બનેલા સિંગલ-મોલેક્યુલ ઇલેક્ટ્રિકલી સંચાલિત મોટરની જાણ કરવામાં આવી છે. અણુને રાસાયણિક શોષણ દ્વારા તાંબાના (111) એક સ્ફટિકના ટુકડા પર શોષી લેવામાં આવે છે. મોલેક્યુલર મશીન મોલેક્યુલર મોટર્સ મોલેક્યુલર પ્રોપેલર નેનોમોટર સંદર્ભો નેનોટેકનોલોજી મોલેક્યુલર મશીનો પણ જુઓ.